參考查表法或輔助軟件法，利用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)四階音頻濾波器，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的消噪。假設(shè)輸入信號(hào)幅度在0.1Vpp以內(nèi)，要求通帶增益為0dB，3dB截至頻率分別為20Hz~20kHz，通道增益要求平坦，電路負(fù)載為10kΩ。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)出該電路，并對(duì)該電路的幅頻特性進(jìn)行仿真。

實(shí)驗(yàn)具體要求如下：

（1）設(shè)計(jì)電路，說(shuō)明設(shè)計(jì)原理，電阻、電容選擇為系列值，要求截至頻率誤差在10%以內(nèi)。

（2）確定電路中運(yùn)放的型號(hào)，簡(jiǎn)單說(shuō)明運(yùn)放選型的原則。

（3）利用Multisim電路仿真軟件繪制原理圖。

（4）對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行幅頻特性仿真。給出通道增益、截至頻率、過(guò)渡帶衰減的仿真值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）在下方列出所設(shè)計(jì)電路的原理圖

圖1 所設(shè)計(jì)電路的原理圖

（2）結(jié)合所設(shè)計(jì)的電路圖說(shuō)明該電路的設(shè)計(jì)思路和過(guò)程，通過(guò)計(jì)算得到該電路的理論截至頻率值，計(jì)算誤差。（寫(xiě)出滿足題目各指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)依據(jù)）

設(shè)計(jì)思路:

依據(jù)題目要求,所要實(shí)現(xiàn)的功能為20Hz-20kHz的帶通濾波，由于帶寬較寬且要求通帶平坦，四階帶通濾波器并不適用，所以選擇四階高通濾波器與四階低通濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階帶通濾波的功能。

設(shè)計(jì)過(guò)程：

高通部分：因?yàn)橥◣г鲆鏋?，所以通帶增益Ap=1，所以Rf取開(kāi)路，RF取0,因?yàn)榻刂诡l率為20Hz，根據(jù)截止頻率與C的非線性關(guān)系，取C為0.75μF，

截止頻率與C的關(guān)系

C1=C2=C=0.75μF

K0=100/fc*C=20/3

R1=1.125*K0=7.5kΩ

R2=2.251*K0=15kΩ

二階高通VCVS電路元件值

此時(shí)wo=1/C*=0.12567

f 0=w0/2π=20.01Hz

相對(duì)誤差Y=（20.01-20）/20=0.05%

α =2=,此時(shí)fc=f0=20Hz

低通部分：因?yàn)橥◣г鲆鏋?，所以通帶增益Ap=1，所以Rf取開(kāi)路，RF取0,因?yàn)榻刂诡l率為20kHz，根據(jù)截止頻率與C的非線性關(guān)系，取C為750pF，

K0=100/fc*C=20/3

R1=1.422*K0=9.5kΩ

R2=5.399*K0=36kΩ

C1=0.33*C=250pF

二階低通VCVS電路元件值

此時(shí)wo=1/=0.0081

f 0=w0/2π=19.66kHz

相對(duì)誤差Y=（19.66-20）/20=-1.7%

α =,此時(shí)fc=f0=20kHz

此時(shí)波特儀器輸出為：

此時(shí)滿足，要求通帶增益為0dB，6dB截至頻率分別為20Hz~20kHz，通道增益要求平坦，

為使截止在3dB范圍內(nèi)，各參數(shù)值還需要進(jìn)一步調(diào)整。經(jīng)過(guò)調(diào)整發(fā)現(xiàn)將電路各值整體擴(kuò)大或縮小相同倍數(shù)可調(diào)節(jié)衰減幅度。

為方便計(jì)算通過(guò)Java編寫(xiě)程序及調(diào)試參數(shù)得到：

高通部分參數(shù)放大倍數(shù)：0.89

低通部分參數(shù)放大倍數(shù)：1.115

參數(shù)取不同倍數(shù)后數(shù)值如圖所示，再次仿真得到波形已滿足題目要求。

最后將各元件值就近取為系列值，得到最終參數(shù)及波形:

誤差分別為：

Y1=（20.115-20）/20=0.5%

Y2=（20.161-20）/20=0.8%，均小于10%滿足題目要求，至此設(shè)計(jì)完成。

設(shè)計(jì)中選取的功放：NE5532

選取原因：

單位增益帶寬BWG=10MHz>>題目所需通過(guò)最大頻率率20kHz

功率帶寬fBWP=140kHz，Uop=0.1V,由此可得壓擺率SR=2πUopfBWP≈9v/us響應(yīng)快速變化的輸入信號(hào)能力高。

以及題目處理信號(hào)為20-20kHz的音頻信號(hào)，而NE5532具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力("驅(qū)動(dòng)能力")及相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬，電源電壓范圍大等特點(diǎn)。因此很適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備、儀器、控制電路及電話通道放大器。用作音頻放大時(shí)音色溫暖，保真度高。

符合本題需要。

對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行輸入輸出仿真，給出輸入幅度為0.1Vpp，頻率分別為20Hz、20kHz時(shí)的輸出波形圖，并記錄輸出幅度。

20Hz：輸出vpp約為0.07

20kHz：輸出vpp約為0.07

40kHz時(shí)，可見(jiàn)輸出vpp已經(jīng)大幅降低，濾波器發(fā)揮作用

圖2 輸出波形圖仿真圖

對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行幅頻特性仿真，給出幅頻特性仿真圖（背景白色），記錄3dB截至頻率和兩過(guò)渡帶的衰減。

3dB頻率

左過(guò)渡帶（1-20HZ）

右過(guò)渡帶（20kHz-50MHz）

實(shí)驗(yàn)思考題

1、為什么設(shè)計(jì)出濾波器的截至頻率會(huì)產(chǎn)生誤差？

答：

在選擇電容時(shí)電容與頻率非線性關(guān)系，需要取一個(gè)大概值，以此計(jì)算的K0，以及系列參數(shù)均存在誤差。

以及理論值與系列值存在差距。

系列值實(shí)物電阻也有實(shí)際值的誤差。

2、總結(jié)設(shè)計(jì)寬帶帶通濾波器的方法。

答：首先通過(guò)題目要求帶寬確定類型：

帶寬較窄時(shí)考慮帶通濾波器，帶寬較寬時(shí)選擇高通與低通級(jí)聯(lián)構(gòu)成帶通濾波器