基于有源滤波的波形变换与移相仿真电路测试分析

商 林 周宗斌

(1.武汉交通职业学院 电子与信息工程学院 湖北 武汉：430065；2.武昌职业学院 电子信息工程学院 湖北 武汉：430202)

0 引言

在高职电子信息类专业人才培养中，《模拟电子技术》是一门非常重要的专业基础课。在讲授《模拟电子技术》课程时，滤波电路既是重点也是难点，其在自动控制、电子信息、通信等领域有着广泛的应用。滤波电路既可以对采集到的信号进行滤波，抑制掉干扰、无用频率的信号，获取有用的信号，也可以使用滤波电路对波形的相位进行变换。滤波可以分为无源和有源滤波两种，无源滤波的特点是较简单，有源滤波一般与集成运放一起使用，电路比无源滤波复杂，但幅频特性比无源滤波要好。

为了巩固该知识点，任课教师通常会对滤波知识点进行专题辅导，实验中经常选择方波转正弦波再进行移相为实验项目，通过实训既让学生掌握一阶、二阶有源滤波的工作原理，又能熟练选择滤波电路的元器件，特别是电容参数的选择，并分析有源滤波的模拟特性，用公式计算滤波电路的频率。在实际教学过程中，理论讲解滤波电路工作原理的同时，选择了Proteus仿真，根据选择不同的电容，可以随时修改电路参数，观察电路仿真输出波形的结果，然后要求学生根据老师讲解的基本电路，搭建实物电路，并用示波器测量观察输出的波形，根据输出的波形，对实物电路做优化设计。

1 波形变换电路元器件的选择

电路如图1所示，电路的左半边是二阶有源巴特沃斯滤波器，作用是波形的转换，输出测量点是out1，右半边是移相电路，输出测量点是out2。信号源方波的频率是3kHz，转换成正弦波也要求是3kHz，要实现方波转正弦波，可以选择RC低通滤波器，out1是二阶有源巴特沃斯滤波器的输出。由于滤波器的阶数越高，滤波器输出的幅频特性越陡峭，为了输出更平滑的正弦波，实验中选择了二阶有源滤波。滤波器的中心频率为3kHz，集成运放选择了LM324，LM324的通频带大于3kHz，使用了同向比例放大器，它的带通放大倍数为Kf=1+R0/Rf，由图1可知该电路的单位增益为1，二阶有源巴特沃斯滤波器的角频率如式(1)所示：

(1)

二阶有源滤波电路如图1所示:R1、R2、C1、C2、LM324组成二阶低通有源滤波电路。C1的作用是在截止频率附近引入正反馈，改善滤波器的幅频特

图1 整体电路图

(2)

把选择的电容和电阻值代入式(2)，可以求出频率约为3009Hz。

表1 边界频率与电容值对照表

2 波形变换仿真电路的搭建与结果分析

用Proteus画好电路，如图1所示，为了得到的波形更加平滑，加了C3、C4两个滤波电容，R3的作用是限幅，点击开始按钮，可以观察到波形如图2所示。虚拟示波器的A通道接信号源CP，B通道接out1。由图2可知，方波转换成了正弦波。虚拟示波器的扫描周期设置是50μs，调整波形方便观察的起始位置，计算3kHz的频率是6.66个扫描周期，观察图2刚好是6.66格，对应3kHz的频率，对比图2中的方波和正弦波，可以看出正弦波的频率也是3kHz，正弦波的频率与方波相同。如果去掉C3、C4，重新运行仿真，得到的结果如图3所示，此时的波形没有图2那么平滑，正弦波半个周期内的上升部分和下降部分的波形并不对称，且转换后的正弦波上半周的波峰被削掉部分，失真比较严重，所以实验时，如果out1输出的波形如图3观察到的仿真波形相似，可加入C3、C4滤波电容，并选择相应的电容值，这是力求输出波形平滑的方法之一。

图2 波形转换结果

图3 无滤波电容

图4 变换参数转换结果

图5 RP=100%时波形

3 移相电路和结果分析

(3)

(4)

图5-图7中A为3kHz的方波，B为经过转换后的正弦波，C为经过移相后的正弦波。当RP=100%时，阻值为100kΩ，由图5可知： A、B、C三种波的频率相同，B波和C波同相，同时到波顶同时到波底。当RP=90%时，阻值为90kΩ，由图6可知：此时C波滞后B波一个角度，但是它们频率和波形是相同的。当RP=0%，阻值为0时，由图7可知：此时C波滞后B波180度，即反相，B波的波顶对应C波的波底，但它们的波形频率也是相同的。通过上述比较，说明一阶RC有源滤波电路实现了波形的移相。

图6 RP=90%时波形

图7 RP=0%时波形

图8是RP为50%时的电路模拟性能分析结果，模拟分析图表的停止时间是2.5ms，开始时间是0，三个信号CP、out1、out2分别是3kHz的方波、转换后的正弦波out1、移相后的正弦波out2。由图8可知，信号从160μs开始，同时出现了out1和out2波形，out1波形几乎与方波同步，幅值也没有变化，但out2的波形，160us后，开始向下走，再向上走，而且波的幅值也有变化，经过800μs 后，波的幅值保持稳定，此时，out1和out2保持幅值、相位都稳定的关系。

图8 out1的模拟信号特性

4 结束语

使用了LM324集成运放搭建了一阶、二阶有源滤波电路，通过Proteus自带的示波器观察到了波形变换和移相的结果，达到了训练目的。在仿真过程中，分步骤地修改了滤波电容C3、C4，还修改了R1、R2、C1、C2分别得到不同的仿真波形，并对仿真波形进行了比较，总结出波形不同的原因，使用这种方法让学生学会了选择滤波电路的元器件，特别是选择不同的电容，仿真的波形有不一样的效果。