2. 有源高通滤波器模块

模块描述

有源高通滤波器允许高频信号通过,抑制低频分量和直流偏置,用于去除基线漂移、隔直流、提取交流成分。同样基于运放和RC网络,拓扑与低通滤波器对偶。典型应用包括心电信号处理(去基线漂移)、音频耦合、传感器AC信号提取等。在电赛中用于交流信号测量、生物信号处理、动态信号分析等题目。

工作原理

Sallen-Key二阶高通滤波器:

[Vin] → [C1] → [C2] → [运放同相输入] → [Vout]
         ↓      ↓           ↓
        [R1]   [R2]    [电压跟随器]
         ↓      ↓
        [GND]  [GND]

传递函数: H(s) = Ao·s² / (s² + (ωn/Q)·s + ωn²)

关键参数:
- 截止频率fc: fc = 1/(2π√(R1·R2·C1·C2))
- DC增益: 0 (直流完全衰减)
- 高频增益: Ao (通带增益)
- 与低通对偶: C↔R互换即得高通

MFB高通拓扑:
[Vin] → [C1] → [反相输入] → [运放] → [Vout]
                ↓    ↑
               [R1] [C2]
                ↓    ↑
               [R2] [C3]
                ↓    |
               [GND]└─┘

技术指标

- 运放选择: TL082 (通用), OPA134 (音频), OP07 (低频) - 截止频率: 0.01Hz - 10kHz - 滚降速率:

  1. 2阶: -40dB/decade (低频侧)
  2. 4阶: -80dB/decade

- 高频增益: 0dB至+40dB - 直流阻断: >60dB @ DC - 相位特性: +90°@fc (2阶) - 输入阻抗: 与频率相关,fc处最低 - 输出阻抗: <100Ω

接口管脚定义

同低通滤波器,使用标准双运放如TL082: - 引脚1,7: OUT1, OUT2 - 引脚2,3: IN1-, IN1+ - 引脚5,6: IN2+, IN2- - 引脚4: V- (负电源或地) - 引脚8: V+ (正电源)

板上设置和信号指示

- 电源: ±12V双电源或+5V单电源(中点偏置) - 输入耦合: 大电容(1-10μF)隔直流 - 输出耦合: 输出电容(1μF)去直流偏置 - 元件选择:

  1. 电容: 1%精度薄膜电容,低频用电解电容
  2. 电阻: 1%金属膜电阻
  3. 电容值: 常用0.1μF-10μF (取决于fc)

- 偏置网络: 单电源时需Vcc/2偏置电路 - 接口: BNC或3.5mm音频接口 - 指示: 信号LED指示

电气指标

- 电源: ±5V至±15V (双电源), 单电源+5V至+15V - 功耗: 10-20mA - 输入阻抗: fc处约1/(2πfcC) ≈ 16kΩ @10Hz, 1μF - 输出驱动: ±20mA - 噪声: 20nV/√Hz @ 1kHz (TL082) - THD: <0.01% - 截止频率精度: ±5-10% - 温度系数: ±200ppm/°C

使用说明

1. 截止频率设计:

  1. 确定fc,选择R值(如R1=R2=10kΩ)
  2. 计算C: C = 1/(2π·fc·R·√2)
  3. fc=10Hz, R=10kΩ: C≈1.13μF,选1μF标称值

2. 低频应用:

  1. fc<1Hz: 使用大电容(10μF以上)
  2. 注意电解电容漏电流影响
  3. 考虑使用T型网络降低电容值

3. 输入偏置电流补偿:

  1. 同相输入接等效电阻到地
  2. 平衡偏置电流,减小失调

4. 单电源设计:

  1. 输入输出AC耦合
  2. 运放供电+5V,信号围绕2.5V摆动
  3. 同相输入偏置到Vcc/2 (用2个等值电阻分压)

5. 心电信号处理:

  1. fc=0.05Hz (去基线漂移)
  2. 2阶巴特沃斯
  3. 配合50Hz陷波器

6. 音频应用:

  1. fc=20Hz (去直流)
  2. 贝塞尔特性(相位线性)
  3. 低THD运放

7. PCB设计:

  1. 大电容注意极性
  2. 交流地与直流地分离
  3. 输入保护(钳位二极管)

8. 调试:

  1. 低频信号源+示波器测fc
  2. 观察直流是否阻断
  3. 检查通带增益平坦度

全国大学生电子设计竞赛相关赛题

- 2019年: 心电信号采集(去基线漂移) - 2017年: 生物电测量(高通滤波0.05Hz) - 2015年: 音频处理(去直流分量) - 2013年: 传感器信号调理(提取AC分量) - 2011年: 动态信号分析 - 2009年: 交流测量系统 - 2007年A题: 音频信号分析仪(高通耦合)

应用技术要点总结

1. 与低通对偶: 电阻电容位置互换即可,设计方法类似 2. 电容类型:

  1. 高频(fc>100Hz): 薄膜/陶瓷电容
  2. 低频(fc<10Hz): 电解电容,注意漏电
  3. 超低频: 钽电容或高品质电解电容

3. 输入阻抗: 高通滤波器输入阻抗在fc处最低,需考虑信号源驱动能力 4. 直流阻断: 完全阻断直流,但会引入相移 5. 瞬态响应: 阶跃输入会产生过冲,注意削波 6. 低频噪声: fc过低会放大低频噪声(1/f噪声) 7. 应用组合: 常与低通组成带通(先高通后低通) 8. 参数漂移: 电解电容老化导致fc漂移,定期校准