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　　對模擬信號進行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實現對信號中頻率成分的選擇。根據頻率濾波時，把信號看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號，通過選擇不同的頻率成分來實現信號濾波。針對本應用所要求的帶通濾波及放大，可以有多種方案，其中使用比較多的是由R、C及集成運放組成的有源帶通濾波器和開關電容濾波器。

　　1 帶通濾波器

　　帶通濾波器的主要性能參數有：

　　(1)中心頻率增益K0：輸入為中心頻率信號時的電壓放大倍數。

　　(2)中心頻率f0：它只與濾波用的電阻和電容元件的參數有關，是帶通濾波器通帶內電壓增益最大點的頻率。

　　(3)截止頻率fL和fH：輸出幅值為×輸入×中心頻率增益時所對應的頻率，帶通濾波器有兩個，分別為低頻截止頻率fL和高頻截止頻率fH。

　　(4)通帶寬度BW：高頻截止頻率fH與低頻截止頻率fL之差。

　　(5)品質因數Q;對帶通濾波器而言，Q值等于中心頻率f0與通帶寬度BW之比。

　　2 有源濾波器

　　有源濾波器是由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器)組成。這類濾波器的優點是：通帶內的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯時相互影響很小，利用級聯的簡單方法很容易構成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件)。缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器)的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。本實驗采用平常使用比較多的多路負反饋二階帶通濾波器，如圖1所示。

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　　2.1 有源濾波器參數設計

　　其傳遞函數的一般形式為：

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　　式中ω0：帶通濾波器中心角頻率，Q：品質因數，K0：ω=ω0時帶通濾波器的增益。設計中經常取C1=C2=C，則：

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　　根據實際要求選擇每一級帶通濾波的參數為：f0=12Hz，GAIN=10，Q=6。然后再根據具體已有標稱的電阻、電容值選擇每一級帶通濾波的器件大小： R1=17.88K，R2=2.69K，R3=324K，C=0.494μF，經計算得到的理論值為f0=11.71Hz，GAIN=9.06，Q=5.9。

　　2.2 有源濾波器實驗及數據

　　圖2為測試電路，由該電路得到的實驗數據見表1。當輸入頻率在中心頻率附近變化時，輸出信號的相位變化比較明顯。

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　　3 開關電容濾波器

　　開關電容濾波器是一種新型的大規模集成器件，其主要特點是用開關和電容來代替電路中的電阻.是數字電路和模擬電路的結合，可以將很多有源的RC濾波器轉換成開關電容濾波器。開關電容濾波器在使用方面的最大優點是無需更換元件，只需改變時鐘頻率和編程引腳電平就可以在一定的范圍內改變濾波器的中心頻率和Q值，這給濾波器的設計、使用帶來很大方便。但是開關電容濾波器具有開關噪聲和時鐘噪聲。

　　3.1 開關電容濾波器原理

　　開關電容的一種結構如圖3所示，起開關作用的MOS管T1和T2是由時鐘信號φ和

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　　來控制的，φ和

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　　反相的。當時鐘信號φ為高電平時，T1管導通，T2管截止，電容C與1—1’端接通，充電電荷為Q=CV1;當時鐘信號

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　　高電平時，T2管導通，T1管截止，電容C與2—2’接通，充電電荷為Q=CV2。若設電路的時鐘周期為TC，則在此時間內從1一1’端向2—2’端傳輸的電荷為△Q=Q1-Q2，由1一1’端流向2—2’端的平均電流為I=△Q/TC=C(V1-V2)/TC。

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　　如果時鐘頻率fclk=1/TC比信號的頻率高得多，開關電容相當于一個電阻R，等效電阻值為R=(V1—V2)/I=TC/C=1/fclkC。

　　顯然，等效電阻的值與時鐘頻率和電容大小成反比。對于由RC構成的濾波器就只需將電阻用開關電容代替，就可以組成開關電容濾波器，則電路的時間常數τ=RC=C2/fclkC1。

　　上述表明龜路的頻響特性由時鐘頻率與電容比值決定，與電容的絕對值無關。開關電容濾波器實質上屬于調制或采樣系統，調制(采樣)頻率由分頻比決定。

　　3.2 開關電容濾波器實驗及數據

　　為了滿足放大倍數的要求，通過給開關電容濾波器芯片編程引腳特定的高低電平選擇Q=10.7，中心頻f0=12.14Hz，時鐘fclk=2.405k Hz，用兩片開關電容芯片級聯成四級得到的。圖4所示為一片開關電容濾波器實驗電路圖。實驗數據如表2所列。

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　　4 結束語

　　通過對實驗數據的分析得出，帶通濾波器中Q值越高則通頻帶越窄，也就是說濾波器對頻率的選擇性就越好，對干擾信號的抑制能力也就越強，但并不是Q值越高電路越好越穩定。若Q值取過大，當濾波器中心頻率變動時，有用信號通過濾波器時將產生較大的相位誤差和幅值誤差。因此在濾波器滿足濾波質量前提下，Q值盡可能小。

　　有源帶通濾波器的無輸入時輸出噪聲較小，輸出信號幅值較穩定，但當Q較大時輸入信號頻率在中心頻率附近變化，輸出信號的相位變化較大。

　　開關電容濾波器可以很方便的改變中心頻率和Q值，但是受開關噪聲和時鐘噪聲影響，在沒有輸入信號的情況下，輸出有比較大的噪聲信號。