测控电路系列.PDF

测控电路系列 实验指导书 上海理工大学 光电实验中心 目 录 实验一 有源滤波器的设计与测试 2 实验二 集成有源滤波器的应用 15 实验三 测控电路系列实验综合设计任务书——电压测量模块的设计 31 1 实验一 有源滤波器的设计与测试 这里介绍有源滤波器快速设计方法,它具有计算简单、元器件少、电路调 整方便等优点。通过学习,要求掌握最基本的二阶滤波器设计方法与性能参数 测试技术,并具备设计高阶滤波器的能力。 1、滤波器的传输函数与性能参数 由RC 元件与运算放大器组成的滤波器称为 RC 有源滤波器,其功能是让 一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在 信息处理、数据传输、抑制干扰等方面,但因受运算放大器频带限制,这类滤波 器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同,可分为低通、高通、带通 与带阻等四种滤波器,它们的幅频特性如图 3.6.1 所示。 图3.6.1 (a)低通 (b)高通 (c)带通 (d)带阻滤波器的特性 图3.6.2 巴特沃斯响应与切比雪夫响应比较 (a) 巴特沃斯幅频特性(b) 巴特沃斯相频特性(C〉切比雪夫幅频特性〈d〉切比雪夫相频特性的幅 频特性 2 具有理想的滤波器是很难实现的,只能用实际的滤波器的幅频特性去逼近 理想的。常用的逼近方法是巴特沃斯(Butterwoth)最大平坦响应和切比雪夫 (ChebySher)等波动响应。在不允许带内有 we 纹波的应用中,采用巴特沃斯响 应的滤波器较好。如果给定阶数 n 和带内允许的偏差,采用切比雪夫响应的滤 波器较好, 因其阻带衰减速率比巴特沃斯响应的要大得多,但切比雪夫滤波器 的相频特性比巴特沃斯的要差,如图 3.6.2 所示。一般来说,滤波器的幅频特性 越好,其相频特性越差,反之亦然。滤波器的阶数 n 越高,幅频特性衰减的速率越 快,但 RC 网络的节数越多,元件参数计算越繁琐, 电路调试越困难。因为任何高 阶的滤波器均可以用较低阶的滤波器级联实现,故这里主要介绍具有巴特沃斯 响应的二阶滤波器的设计。表 3.6.1 列出了二阶 RC 有源滤波器的传输函数, 它们的幅频特性如图 3.6.1 所示。 表 3.6. 1 二阶 RC 滤波器的传输函数 实现表 3.6.1 所示传输函数的常用电路有电压控制电压源(VCVS) 电路和 无限增益多路反馈(MFB) 电路。图3.6.3 所示电路为压控电压源电路,其中运算 放大器为同相输入接法, 因此滤波器的输入阻抗很高,输出阻扰很低,滤波器相 当于一个电压源,故称这种电路为电压控制电压源电路。其优点是电路性能稳 定,增益容易调节。图 3.6.4 所示电路为无限增益多路反馈电路,其中运算放大 器为反相输入接法, 由于放大器的开环增益为无限大,反相输入端可视为虚地, 输出端通过 C2、R3 形成两条反馈支路,故称这种电路为无限增益多路反馈电 路。其优点是电路有倒相作用,使用元件较少,但增益调节不太方便,对其它性能 参数会有影响,其应用范围比 VCVS 电路要小。 图3.6.3 压控电压源(VCVS) 电路 图3.6.4 无限增益多路反馈(MFB) 电路 2 、滤波器的快速设计方法 图3.6.3 是二阶压控电压源低通滤波器的电路,其传输函数的表达式为 3