基于有源濾波的波形變換與移相仿真電路測試分析

商 林 周宗斌

(1.武漢交通職業(yè)學院 電子與信息工程學院 湖北 武漢：430065；2.武昌職業(yè)學院 電子信息工程學院 湖北 武漢：430202)

0 引言

在高職電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)中，《模擬電子技術》是一門非常重要的專業(yè)基礎課。在講授《模擬電子技術》課程時，濾波電路既是重點也是難點，其在自動控制、電子信息、通信等領域有著廣泛的應用。濾波電路既可以對采集到的信號進行濾波，抑制掉干擾、無用頻率的信號，獲取有用的信號，也可以使用濾波電路對波形的相位進行變換。濾波可以分為無源和有源濾波兩種，無源濾波的特點是較簡單，有源濾波一般與集成運放一起使用，電路比無源濾波復雜，但幅頻特性比無源濾波要好。

為了鞏固該知識點，任課教師通常會對濾波知識點進行專題輔導，實驗中經(jīng)常選擇方波轉正弦波再進行移相為實驗項目，通過實訓既讓學生掌握一階、二階有源濾波的工作原理，又能熟練選擇濾波電路的元器件，特別是電容參數(shù)的選擇，并分析有源濾波的模擬特性，用公式計算濾波電路的頻率。在實際教學過程中，理論講解濾波電路工作原理的同時，選擇了Proteus仿真，根據(jù)選擇不同的電容，可以隨時修改電路參數(shù)，觀察電路仿真輸出波形的結果，然后要求學生根據(jù)老師講解的基本電路，搭建實物電路，并用示波器測量觀察輸出的波形，根據(jù)輸出的波形，對實物電路做優(yōu)化設計。

1 波形變換電路元器件的選擇

電路如圖1所示，電路的左半邊是二階有源巴特沃斯濾波器，作用是波形的轉換，輸出測量點是out1，右半邊是移相電路，輸出測量點是out2。信號源方波的頻率是3kHz，轉換成正弦波也要求是3kHz，要實現(xiàn)方波轉正弦波，可以選擇RC低通濾波器，out1是二階有源巴特沃斯濾波器的輸出。由于濾波器的階數(shù)越高，濾波器輸出的幅頻特性越陡峭，為了輸出更平滑的正弦波，實驗中選擇了二階有源濾波。濾波器的中心頻率為3kHz，集成運放選擇了LM324，LM324的通頻帶大于3kHz，使用了同向比例放大器，它的帶通放大倍數(shù)為Kf=1+R0/Rf，由圖1可知該電路的單位增益為1，二階有源巴特沃斯濾波器的角頻率如式(1)所示：

(1)

二階有源濾波電路如圖1所示:R1、R2、C1、C2、LM324組成二階低通有源濾波電路。C1的作用是在截止頻率附近引入正反饋，改善濾波器的幅頻特

圖1 整體電路圖

(2)

把選擇的電容和電阻值代入式(2)，可以求出頻率約為3009Hz。

表1 邊界頻率與電容值對照表

2 波形變換仿真電路的搭建與結果分析

用Proteus畫好電路，如圖1所示，為了得到的波形更加平滑，加了C3、C4兩個濾波電容，R3的作用是限幅，點擊開始按鈕，可以觀察到波形如圖2所示。虛擬示波器的A通道接信號源CP，B通道接out1。由圖2可知，方波轉換成了正弦波。虛擬示波器的掃描周期設置是50μs，調(diào)整波形方便觀察的起始位置，計算3kHz的頻率是6.66個掃描周期，觀察圖2剛好是6.66格，對應3kHz的頻率，對比圖2中的方波和正弦波，可以看出正弦波的頻率也是3kHz，正弦波的頻率與方波相同。如果去掉C3、C4，重新運行仿真，得到的結果如圖3所示，此時的波形沒有圖2那么平滑，正弦波半個周期內(nèi)的上升部分和下降部分的波形并不對稱，且轉換后的正弦波上半周的波峰被削掉部分，失真比較嚴重，所以實驗時，如果out1輸出的波形如圖3觀察到的仿真波形相似，可加入C3、C4濾波電容，并選擇相應的電容值，這是力求輸出波形平滑的方法之一。

圖2 波形轉換結果

圖3 無濾波電容

圖4 變換參數(shù)轉換結果

圖5 RP=100%時波形

3 移相電路和結果分析

(3)

(4)

圖5-圖7中A為3kHz的方波，B為經(jīng)過轉換后的正弦波，C為經(jīng)過移相后的正弦波。當RP=100%時，阻值為100kΩ，由圖5可知： A、B、C三種波的頻率相同，B波和C波同相，同時到波頂同時到波底。當RP=90%時，阻值為90kΩ，由圖6可知：此時C波滯后B波一個角度，但是它們頻率和波形是相同的。當RP=0%，阻值為0時，由圖7可知：此時C波滯后B波180度，即反相，B波的波頂對應C波的波底，但它們的波形頻率也是相同的。通過上述比較，說明一階RC有源濾波電路實現(xiàn)了波形的移相。

圖6 RP=90%時波形

圖7 RP=0%時波形

圖8是RP為50%時的電路模擬性能分析結果，模擬分析圖表的停止時間是2.5ms，開始時間是0，三個信號CP、out1、out2分別是3kHz的方波、轉換后的正弦波out1、移相后的正弦波out2。由圖8可知，信號從160μs開始，同時出現(xiàn)了out1和out2波形，out1波形幾乎與方波同步，幅值也沒有變化，但out2的波形，160us后，開始向下走，再向上走，而且波的幅值也有變化，經(jīng)過800μs 后，波的幅值保持穩(wěn)定，此時，out1和out2保持幅值、相位都穩(wěn)定的關系。

圖8 out1的模擬信號特性

4 結束語

使用了LM324集成運放搭建了一階、二階有源濾波電路，通過Proteus自帶的示波器觀察到了波形變換和移相的結果，達到了訓練目的。在仿真過程中，分步驟地修改了濾波電容C3、C4，還修改了R1、R2、C1、C2分別得到不同的仿真波形，并對仿真波形進行了比較，總結出波形不同的原因，使用這種方法讓學生學會了選擇濾波電路的元器件，特別是選擇不同的電容，仿真的波形有不一樣的效果。