有源滤波器的设计方法

众所周知，信号存在沿信号线或者PCB线下面传输的特性，即便我们可能并不熟悉单端模式布线策略，单端这个术语将信号的这种传输特性与差模和共模两种信号传输方式区别开来，后面这两种信号传输方式通常更为复杂。

差分和共模方式

差模信号通过一对信号线来传输。一个信号线上传输我们通常所理解的信号另一个信号线上则传输一个等值而方向相反(至少在理论上是这样)的信号。差分和单端模式最初出现时差异不大，因为所有的信号都存在回路。

单端模式的信号通常经由一个零电压的电路(或者称为地)来返回。差分信号中的每一个信号都要通过地电路来返回。由于每一个信号对实际上是等值而反向的，所以返回电路就简单地互相抵消了，因此在零电压或者是地电路上就不会出现差分信号返回的成分。

共模方式是指信号出现在一个(差分)信号线对的两个信号线上，或者是同时出现在单端信号线和地上。对这个概念的理解并不直观，因为很难想象如何产生这样的信号。这主要是因为通常我们并不生成共模信号的缘故。共模信号绝大多数都是根据假想情况在电路中产生或者由邻近的或外界的信号源耦合进来的噪声信号。共模信号几乎总是“有害的”，许多设计规则就是专为预防共模信号出现而设计的。

差分信号线的布线

通常(当然也有一些例外)差分信号也是高速信号，所以高速设计规则通常也都适用于差分信号的布线，特别是设计传输线1这样的信号线时更是如此。这就意味着我们必须非常谨慎地设计信号线的布线，以确保信号线的特征阻抗沿信号线各处连续并且保持一个常数。

在差分线对的布局布线过程中，我们希望差分线对中的两个PCB线完全一致。这就意味着，在实际应用中应该尽最大的努力来确保差分线对中的PCB线具有完全一样的阻抗并且布线的长度也完全一致。差分PCB线通常总是成对布线，而且它们之间的距离沿线对的方向在任意位置都保持为一个常数不变。通常情况下，差分线对的布局布线总是尽可能地靠近。

差分信号的优势

单端信号通常总是参照某种“参考”电平。这种“参考”电平可能是一个正值电压也可能是地电压、一个器件的阈值电压、或者是其它什么地方的另外一个信号。而另一方面差分信号则总是参照该差分线对中的另一方。也就是说，如果一个信号线(+信号)上的电压高于另一个信号线(-信号)上的电压，那么我们就可以得到一种逻辑状态而如果前者低于后者那么我们就可以得到另外的一种逻辑状态，参见图1。

差分信号具有如下几个优点：1. 时序得到精确的定义，这是由于控制信号线对的交叉点要比控制信号相对于一个参考电平的绝对电压值来得简单。这也是需要精确实现差分线对等长布线的一个理由。如果信号不能同时到达差分线对的另一端的话，那么源端所能够提供的任何时序的控制都会大打折扣。此外，如果差分线对远端的信号并非严格意义上的等值而反向，那么就会出现共模噪声，而这将导致信号时序和EMI方面的问题。2. 由于差分信号并不参照它们自身以外的任何信号，并且可以更加严格地控制信号交叉点的时序，所以差分电路同常规的单端信号电路相比通常可以工作在更高的速度。

由于差分电路的工作取决于两个信号线(它们的信号等值而反向)上信号之间的差值，同周围的噪声相比，得到的信号就是任何一个单端信号的两倍大小。所以，在其它所有情况都一样的条件下，差分信号总是具有更高的信噪比因而提供更高的性能。

我不知道信号过滤器。我专门研究电力滤波器。电力滤波器的主要作用是滤除电力系统中除基波电流(50HZ)以外的其他谐波。主要有三次谐波，150HZ，五次谐波，250HZ，七次谐波，350HZ信号滤波器。按照楼上兄弟的说法，应该和电源滤波器差不多。它保留有用的信号或电流，过滤掉无用的信号或电流。波形显示，根据示波管的原理，当一个DC电压加在一对偏转板上时，光点会在荧光屏上产生一个固定的位移，这个位移与所加的DC电压成正比。如果两个DC电压同时加到垂直和水平偏转板上，则荧光屏上的光点位置将由两个方向上的位移决定。如果向一对偏转板施加正弦交流电压，光点将随着荧光屏上电压的变化而移动。当一个正弦交流电压加到垂直偏转板上时，在t=0的瞬间电压为Vo(零值)，屏幕上的光点位置为坐标原点0。在时间t=1的瞬间，电压为V1(正值)，屏幕上的光斑位置在坐标原点0上方1处，位移与电压V1成正比。在时间t=2的瞬间，电压为V2(非常正值)，屏幕上的光点在坐标原点的零点上方2点钟位置，位移距离与电压V2成正比；以此类推，在t=3，t=4，?，t=8的每个时刻，光点在屏幕上的位置分别是3，4，?，8。第一个周期将在交流电压的第二个周期和第三个周期中重复。如果施加在垂直偏转板上的正弦交流电压的频率很低，只有lHz~2Hz，那么在屏幕上会看到一个上下移动的光点。光点从坐标原点的瞬时偏转值将与施加到垂直偏转板上的电压的瞬时值成比例。如果施加在垂直偏转板上的交流电压的频率在10Hz~20Hz以上，由于屏幕的余辉和人类视觉的持久性，你在屏幕上看到的不是上下移动的点，而是一条垂直的亮线。当示波器的垂直放大增益恒定时，亮线的长度取决于正弦交流电压的峰峰值。如果将正弦交流电压施加到水平偏转板上，除了光点在水平轴上移动之外，也会发生类似的情况。如果在一对偏转板上加一个随时间线性变化的电压(如锯齿波电压)，光点在屏幕上会怎样移动？当水平偏转板上有锯齿电压时，在时间t=0的瞬间，电压为VO(非常负值)，屏幕上的光点在坐标原点左侧的起始位置(零点)，位移距离与电压Vo成正比；在时间t=1的瞬间，电压为V1(负值)，荧光屏上的光点在坐标原点左侧一点，位移的距离与电压v1成正比；以此类推，在t=2，t=3，...t=8时，光点在屏幕上的相应位置是2，3，...,8.在t=8的瞬间，锯齿波电压从一个大的正值V8跳到一个大的负值Vo，屏幕上的光点非常迅速地从8点钟位置向左移动到起始位置零点。如果锯齿波电压是周期性的，则第一周期将在第二周期、第三周期，...此时，如果施加在水平偏转板上的锯齿波电压的频率很低，只有1Hz~2Hz，在屏幕上，光点将从左起始位置零匀速移动到右八点，然后光点将非常迅速地从右八点移动到左起始位置零。这个过程叫做扫描。当一个周期性的锯齿波电压加到水平轴上时，扫描将一次又一次地进行。光点起始位置零点的瞬时值将与施加到偏转板上的电压的瞬时值成正比。如果加在偏转板上的锯齿波电压的频率在10Hz~20Hz以上，由于荧光屏的余辉和人眼视觉的暂留，就会看到一条水平的亮线。当示波器的水平放大增益不变时，水平亮线的长度取决于锯齿电压值。锯齿电压值与时间变化成正比，荧光屏上光点的位移与电压值成正比，所以荧光屏上的水平亮线可以代表时间轴。这条亮线上任何相等的线段都代表相等的时间段。如果被测信号电压加在垂直偏转板上，锯齿波扫描电压加在水平偏转板上，并且被测信号电压的频率等于锯齿波扫描电压的频率，则被测信号电压随时间的周期性波形曲线将显示在屏幕上。当测量的周期信号的第二周期和第三周期...所有重复第一个循环，屏幕上光点所描绘的轨迹也与第一次描绘的轨迹重叠。因此，屏幕上显示的测量信号电压是随时间变化的稳定波形曲线。为了稳定屏幕上的画面，被测信号电压的频率应与锯齿波电压的频率保持整数比关系，即同步关系。为了实现这一点，要求锯齿波电压的频率可以连续调节，以适应不同频率的周期信号的观测。其次，由于被测信号频率和锯齿波振荡信号频率的相对不稳定性，即使锯齿波电压的频率暂时调整为被测信号频率的整数倍，图形也无法始终保持稳定。因此，所有示波器都装有同步装置。也就是说，同步信号被添加到锯齿波电路的某个部分，以促进扫描的同步。对于简单的示波器(如国产SB-10示波器等。)只能产生连续扫描(即连续锯齿波)，需要向其扫描电路输入一个与被观测信号频率相关的同步信号。当添加的同步信号的频率接近锯齿波频率的自激振荡频率(或接近其整数倍)时，锯齿波可以被改变。对于示波器(如国产ST-16示波器、SBT-5同步示波器、SR-8双踪示波器等。)具有等待扫描功能的(即平时不产生锯齿波，只在被测信号到来时产生一个锯齿波扫描一次)，需要在其扫描电路中输入一个与被测信号相关的触发信号，使扫描过程与被测信号紧密配合。这样，只要根据需要选择合适的同步信号或触发信号，任何要研究的过程都可以与锯齿扫描频率保持同步。双线示波法，在电子实习技术过程中，经常需要同时观察两个(或两个以上)信号随时间变化的过程。并且测试和比较这些不同的信号。为了达到这个目的，基于普通示波器的原理，人们采用以下两种方法同时显示多个波形:一种是双线(或多线)示波器；另一种是双踪(或多踪)示波法。用这两种方法制造的示波器分别称为双线(或多线)示波器和双线(或多线)示波器。双线(或多线)示波器是用双枪(或多枪)示波器实现的。下面以双枪示波管为例进行简单说明。双枪示波管有两个独立的电子枪来产生两束电子束。有两个独立的偏转系统，每个系统控制一束电子上下左右移动。荧光屏是共用的，所以屏幕上可以同时显示两种不同的电信号波形，双线示波器也可以用单枪双线示波器管实现。这个示波管只有一个电子枪，工作时依靠一个特殊的电极将电子分成两束。然后，管中两个独立的偏转系统分别控制两个电子束上下、左右移动。荧光屏是共用的，可以同时显示两种不同的电信号波形。由于双线示波管的制造要求高，成本高，其应用不是很普遍。双踪示波器，双踪示波器(或多踪示波器)是在单线示波器的基础上增加一个特殊的电子开关，用它来分别显示两个(或多个)波形。由于双踪(或多踪)示波器比双线(或多线)示波器容易实现，而且不需要使用复杂昂贵的“双腔”或“多腔”示波器，所以双踪(或多踪)示波器被广泛使用。为了使屏幕上显示的两个信号波形保持稳定，要求被测信号频率、扫描信号频率和电子开关的开关频率必须满足一定的关系。首先，两个被测信号频率与扫描信号频率的关系应该是整数比，也就是要求“同步”。这和单线示波器的原理是一样的，只是有两个测量信号和一个扫描电压。在实际应用中，要观测和比较的两个信号往往是内在相关的，所以上述同步要求一般很容易满足。为了使屏幕上显示的两个被测信号的波形稳定，除了满足上述要求外，还必须合理选择电子开关的开关频率，使示波器上显示的波形数量合适，便于观察。先说电子开关的工作模式，和电子开关的开关频率有关。电子开关有两种工作模式:交替转换和间歇转换。交替切换模式显示的波形与双线示波器显示的波形非常相似，没有不连续性。但是，由于被测信号UA和UB的波形依次交替出现在屏幕上，如果交替的间隙时间超过人眼的视觉持续时间和屏幕的余辉时间，人们看到的屏幕上的波形就会闪烁。为了避免这种情况，要求电子开关具有足够高的开关频率。也就是说，当被测信号频率较低时，不宜采用交替转换方式，而应采用间歇转换方式。当电子开关工作在间歇开关模式时，在X轴扫描的每一个过程中，电子开关以足够高的开关频率对每个待测显示信号进行多次采样。这样，即使测量信号的频率低，也可以避免波形的闪烁。双踪示波器主要由两路Y轴前置放大电路、门控电路、电子开关、混合电路、延时电路、Y轴后置放大电路、触发电路、扫描电路、X轴放大电路、Z轴放大电路、校准信号电路、示波管和高低压电源电路组成。当显示模式开关置于交替位置时，电子开关是双稳态电路。它由来自扫描电路的门信号控制，使Y轴的两个前通道随着扫描电路的门信号的变化而交替工作。每秒钟交替转换的次数与扫描电路产生的扫描信号的重复频率有关。交替工作状态适用于观测频率较低的被测信号。为了观察被测信号随时间变化的波形，必须在示波管的水平偏转板上加一个线性扫描电压(锯齿波电压)。该扫描电压由扫描电路产生。当触发信号施加到触发电路时，扫描电路被触发，扫描电路产生相应的扫描信号；当没有施加触发信号时，扫描电路不产生扫描信号。触发器有内部触发器和外部触发器两种，由触发器选择开关选择。当开关置于内部位置时，触发信号来自通过Y轴通道发送的测量信号。当开关置于外部位置时，触发信号从外部输入。该信号应该以整数比与被测信号的频率相关。在示波器的使用上，大多采用内部触发方式。高低压供电电路中的低压供给各级示波器所需的低压电源，高压供给示波器的显示系统。更多信息请咨询北京东方中科集成技术有限公司，谢谢！

滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许有用信号的电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本原理有三种：

(1)利用电容通高频隔低频的特性，将火线、零线高频干扰电流导入地线(共模)，或将火线高频干扰电流导入零线(差模)

(2)利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源

(3)利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特性，针对某干扰信号的频段选择合适的干扰抑制铁氧体磁环、磁珠直接套在需要滤波的电缆上即可。

图中的元件参数是从何而来？有没有遵照正规有源滤波器设计手册进行选取？大概是想当然地引用无源滤波的截止频率计算方法自己算出来的吧？包括系统增益也是随心所欲的设定的？测量结果非常明显，是正反馈过大造成自激振荡或者接近自激振荡了。

只有教科书才让人自己根据理论去求解元件参数，这是一个吃力不讨好的方法，工程上应该用查手册的方法解决。建议到网上查找“电子书”，推荐两本比较实用的：《有源滤波器的快速实用设计》，《有源滤波器精确设计手册》。

给你一个手册上查得的增益为5、频率为40Hz、压控电压源、巴特沃思2阶低通滤波器的元件数据结果：R1=2k，R2=3.9k，C1=2uF，C3=1uF，R4=7.5k，R5=24k。这些数值已经按照RC元件的“E24规格”进行了标称化，你原来图中所用的4k、40k电阻，并不存在相应规格的商品。

顺便提醒：OPA335运放典型电源电压为单5V，极限不能大于7V（+-3.5V），你居然加上+-12（24V）电源，幸好是仿真，不然早就烧得面目全非了，等不到出现自激状态。