參考查表法或輔助軟件法，利用集成運放設計四階音頻濾波器，實現音頻信號的消噪。假設輸入信號幅度在0.1Vpp以內，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，電路負載為10kΩ。根據上述要求設計出該電路，并對該電路的幅頻特性進行仿真。

實驗具體要求如下：

（1）設計電路，說明設計原理，電阻、電容選擇為系列值，要求截至頻率誤差在10%以內。

（2）確定電路中運放的型號，簡單說明運放選型的原則。

（3）利用Multisim電路仿真軟件繪制原理圖。

（4）對所設計電路進行幅頻特性仿真。給出通道增益、截至頻率、過渡帶衰減的仿真值。

實驗結果

（1）在下方列出所設計電路的原理圖

圖1 所設計電路的原理圖

（2）結合所設計的電路圖說明該電路的設計思路和過程，通過計算得到該電路的理論截至頻率值，計算誤差。（寫出滿足題目各指標要求的設計依據）

設計思路:

依據題目要求,所要實現的功能為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聯實現四階帶通濾波的功能。

設計過程：

高通部分：因為通帶增益為0，所以通帶增益Ap=1，所以Rf取開路，RF取0,因為截止頻率為20Hz，根據截止頻率與C的非線性關系，取C為0.75μF，

截止頻率與C的關系

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wo=1/C*=0.12567

f 0=w0/2π=20.01Hz

相對誤差Y=（20.01-20）/20=0.05%

α =2=,此時fc=f0=20Hz

低通部分：因為通帶增益為0，所以通帶增益Ap=1，所以Rf取開路，RF取0,因為截止頻率為20kHz，根據截止頻率與C的非線性關系，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wo=1/=0.0081

f 0=w0/2π=19.66kHz

相對誤差Y=（19.66-20）/20=-1.7%

α =,此時fc=f0=20kHz

此時波特儀器輸出為：

此時滿足，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，各參數值還需要進一步調整。經過調整發現將電路各值整體擴大或縮小相同倍數可調節衰減幅度。

為方便計算通過Java編寫程序及調試參數得到：

高通部分參數放大倍數：0.89

低通部分參數放大倍數：1.115

參數取不同倍數后數值如圖所示，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，至此設計完成。

設計中選取的功放：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響應快速變化的輸入信號能力高。

以及題目處理信號為20-20kHz的音頻信號，而NE5532具有更好的噪聲性能，優良的輸出驅動能力("驅動能力")及相當高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。因此很適合應用在高品質和專業音響設備、儀器、控制電路及電話通道放大器。用作音頻放大時音色溫暖，保真度高。

符合本題需要。

對所設計電路進行輸入輸出仿真，給出輸入幅度為0.1Vpp，頻率分別為20Hz、20kHz時的輸出波形圖，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，可見輸出vpp已經大幅降低，濾波器發揮作用

圖2 輸出波形圖仿真圖

對所設計電路進行幅頻特性仿真，給出幅頻特性仿真圖（背景白色），記錄3dB截至頻率和兩過渡帶的衰減。

3dB頻率

左過渡帶（1-20HZ）

右過渡帶（20kHz-50MHz）

實驗思考題

1、為什么設計出濾波器的截至頻率會產生誤差？

答：

在選擇電容時電容與頻率非線性關系，需要取一個大概值，以此計算的K0，以及系列參數均存在誤差。

以及理論值與系列值存在差距。

系列值實物電阻也有實際值的誤差。

2、總結設計寬帶帶通濾波器的方法。

答：首先通過題目要求帶寬確定類型：

帶寬較窄時考慮帶通濾波器，帶寬較寬時選擇高通與低通級聯構成帶通濾波器