集成运放在有源滤波器中的应用实验

作者 Fabre Li 日期 2017-04-14
集成运放在有源滤波器中的应用实验

实验目的

学会用集成运算放大器实现有源滤波器

可提供的实验资源

1.测试仪器:万用表、信号源、直流稳压电源、示波器、毫伏表。
2.模拟电路通用实验板(内涵集成电路插座、电阻、电容等)。
3.电子电路实验箱(工具及元器件、本实验用的F007运放及阻容元件等)。

实验内容及要求

滤波器是一种选频电路,它是一种能使有用频率信号通过,同时抑制(或衰减)此频率以外的信号。由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器。根据滤波器通过信号的频率范围可分为低 (LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)、带阻(BEF)和全通(APF)滤波器等。本实验主要研究二阶RC有源低通、高通和带通滤波器的设计和调试,并给出了低通滤波器的快速设计方法和一部分参考电路。设计者只要根据低通滤波器的电路图,通过查表得到RC原件的数值就可以了。

基本命题

用F007设计一个二阶RC有源低通滤波器,要求截止频率$f_{H}=1 kHz$,增益$A_{u}=2$。

实验路线及策略

基本命题

1.二阶RC有源低通滤波器(LPF)

(1)二阶RC有源低通滤波器快速设计法

二阶RC有源低通滤波器电路图如下图所示。

二阶RC有源低通滤波器电路图

下表给出截止频率$f_{H}$与电容值的选择参考对照表。

f 10~100 $kHz$ 0.1~1 $kHz$ 1~10 $kHz$ 10~100 $kHz$
$C_{1}$ 1~0.1 $\mu F$ 0.1~0.01 $\mu F$ 0.01~0.001 $\mu F$ 1000~100 $pF$

该电路若 $R_{1}=R_{2}=R$,$C_{1}=C_{2}=C$,则其上限截止频率为 $$f_{H}=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{1}{R_{1}R_{2}C_{1}C_{2}}}=\frac{1}{2\pi RC}$$
电压增益为 $$A_{u}=1+\frac{R_{4}}{R_{3}}$$
品质因素为 $$Q=\frac{1}{3-A_{u}}$$
(为使用系统稳定,$A_{u}<3$,Q一般<10)

(2)设计步骤

根据截止频率表选定一个电容(注意:要按照电容系列值选),根据截止频率的算式计算出R值。根据Q值计算出$A_{u}$,选择$R_{3}$,根据电压增益算式算出$R_{4}$。根据$A_{u0}=2$,$f_{H}=1 kHz$。选$C_{1}=C_{2}=0.01\mu F$,$R_{1}=R_{2}=16 k\Omega$,$R_{4}=R_{3}$。

二阶RC有源低通滤波器实验电路图

(3)记录数据

100~1000Hz之间每隔100Hz记录一次输出电压,1000~2000Hz之间每隔200Hz记录一次输出电压,2000~3000Hz之间每隔300Hz记录一次输出电压。将数据列入表格中并在对数坐标中画出对应曲线。

LM741构成的低通滤波器仿真图

实验数据及处理

输入电压:0.5 V

f/Hz 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2300 2600 2900 3000
U/V 1.02 1.04 1.06 1.10 1.15 1.20 1.25 1.25 1.20 1.12 0.85 0.64 0.48 0.37 0.29 0.16 0.16 0.13 0.12

实验曲线