二阶带通滤波器电路设计

一、实验目的

掌握有源滤波器电路设计基本方法。
掌握电路仿真软件的基本使用方法。

二、实验内容及结果

实验内容
参考查表法或辅助软件法，利用集成运放设计二阶音频滤波器，实现音频信号的消噪。假设输入信号幅度在0.1Vpp以内，要求通带增益为0dB，3dB截止频率分别为20Hz~20kHz，通道增益要求平坦，电路负载为1kΩ。根据上述要求设计出该电路，并对该电路的幅频特性进行仿真。
实验具体要求如下：
（1）设计电路，说明设计原理，电阻、电容选择为系列值，要求截至频率误差在10%以内。
（2）确定电路中运放的型号，简单说明运放选型的原则。
（3）利用Multisim电路仿真软件绘制原理图。
（4）对所设计电路进行幅频特性仿真。给出通道增益、截至频率、过渡带衰减的仿真值。
实验结果
（1）在下方列出所设计电路的原理图（Multisim完成，确定电路中所有器件的型号和参数）
multisim仿真文件链接

图1 所设计电路的原理图

（2）结合所设计的电路图说明该电路的设计思路和过程，通过计算得到该电路的理论截至频率值，计算误差。
设计思路：
需要满足题目要求的通带增益0dB，3dB截至频率20Hz~20kHz，则需要构造二阶带通滤波器。二阶带通滤波器由一个VCVS式二阶低通滤波器和一个VCVS式二阶高通滤波器构成，二阶低通滤波器确定上限3dB截止频率为20kHz，二阶高通滤波器决定下限3dB截止频率为20Hz。
设计过程：
由查表法可以分别确定出低通滤波器和高通滤波器的各元器件值如下图：
二阶低通滤波器查表：
二阶高通滤波器查表：
由表中得到R1=1.422KΩ，R2=5.399KΩ，C=6500pF，C1=1588pF；C2=5uF，C3=5uF，R3=2.251KΩ，R4=1.125KΩ，负载R5=1KΩ
计算过程：
理论低通与高通滤波器通带增益均为：Ap=1+0=1
理论低通滤波器上限截止频率：fc=1/(2πR2C1) ≈ 18572.8Hz=18.5728kHz
理论高通滤波器下限截止频率：fc=1/(2πR4C3) ≈ 20.2Hz
但真实仿真结果如下
低频：19.716Hz

高频：20.288Hz

计算得出下限截止频率误差≈2.39%，上限截止频率误差≈8.45%，误差都在10%以内，满足要求

（3）对所设计电路进行输入输出仿真，给出输入幅度为0.1Vpp，频率分别为20Hz、20kHz时的输出波形图，并记录输出幅度。

20Hz时：

20KHz时：

图2 输出波形图仿真图

（4）对所设计电路进行幅频特性仿真，给出幅频特性仿真图，记录3dB截至频率和两过渡带的衰减。

图3 幅频特性仿真图

三、实验思考题
1、为什么设计出滤波器的截至频率会产生误差？
答：
1、电器元件间的误差导致。
2、由于仪器、实验条件、环境等因素的限制，测量不可能无限精确，测量值与客观存在的真实值之间总会存在着一定的差异。
3、电路设计仍有可以改进的地方只不过没找到。

2、总结设计宽带带通滤波器的方法。
答：
带通滤波器可以由一个低通滤波器和一个高通滤波器构成，而带宽的确定可以使用查表法决定电路中各个元器件的值，再连接完电路后进行仿真，根据仿真结果对电路中元器件值再进行一些适当的调整，可最终设计出一个性能比较好的带通滤波器。

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