有源、无源滤波器实验报告_物理_自然科学_专业资料。实验五 有源、无源滤波器 一、 实验目的 1、 熟悉滤波器构成及其特性。 2、 学会测量滤波器幅频特性的方法。 二、 实验仪器 1、 RIGOL DS10552D 双踪示波器 2、 LTE-XH-0
实验五 有源、无源滤波器 一、 实验目的 1、 熟悉滤波器构成及其特性。 2、 学会测量滤波器幅频特性的方法。 二、 实验仪器 1、 RIGOL DS10552D 双踪示波器 2、 LTE-XH-03A 信号与系统实验箱信号源及频率计模块 S2 3、 抽样定理及滤波器模块 S3 三、 实验原理 滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制 (或大为衰减)无用频率信号的电子装 置，工程上常用它作信号处理、数据传送和抑制干扰等。这里主要是讨论模拟滤波器，以往 这种滤波电路主要采用无源元件 R、L 和 C 组成，60 年代以来，集成运放获得了迅速发展， 由它和 R、C 组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集 成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高， 输出阻抗又低， 构成有源滤波电路后还具有一定 的电压放大和缓冲作用。但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波电路的工作频率难 以做得很高，这是它的不足之处。 基本概念及初步定义 1. 初步定义 表示输入信号， 为输出信号。假设滤 滤波电路的一般结构如图所示，图中的 波器是一个线性时不变网络，则在复频域内有 滤波电路 滤波器电路的一般结构 式中 有 是滤波电路的电压传递函数，一般为复数。对于实际频率来说（ ）则 这里 为传递函数的模，中 为其相位角。 二阶 RC 滤波器的传输函数如下表所示: 类型 低通 ——电压增益 高通 传递函数 备注 ——低通、高通滤波器的截止角频率 ——带阻塞、带阻滤波器的中心角频率 带通 ——品质因数， 时） 或 （当 带阻 ——带通、带阻滤波器的带宽 此外，在滤波电路中关心的另一个量是时延 ，它定义为 通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性， 欲使信号通过滤波器的失真很小， 则相位 和时延响应亦需考虑。当相位响应中 号才可能避免失线. 滤波电路的分类 作线性变化，即时延响应 为常数时，输出信 对于幅频响应， 通常把能够通过的信号频率范围定义为通带， 而把受阻或衰减的信号频 率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率 。 理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应， 而在阻带内应具有 无限大的幅度衰减（ 以下几类: ）。通常通带和阻带的相互位置不同，滤波电路通常可分为 图 各种滤波电路的幅频响应 (a)低通滤波电路(LPF) (c)带通滤波电路(BPF) (b)高通滤波电路(HPF) (d)带阻滤波电路(BPF) 表示低频增益 增益的幅值。由图可 的所有频率完全衰 低通滤波电路:其幅频响应如图中 a 所示，图中 知，它的功能是通过从零到某一截止角频率 减，因此其带宽 的低频信号，而对大于 高通滤波电路:其幅频响应如图中 b 所示，由图可以看到，在 为阻带，高于 的频率为通带。从理论上来说，它的带宽 范围内的频率 ，但实际上，由于受有源 器件带宽的限制，高通滤波电路的带宽也是有限的。 带通滤波电路:其幅频响应如图中 c 所示，图中 为低边截止角频率， 和 高边截止角频 因此带宽 率 ， ω0 为 中 心 角 频 率 。 由 图 可 知 ， 它 有 两 个 阻 带 : 。 带阻滤波电路 : 其幅频响应如图中 d 所示由图可知，它有两个通带 : 在 ，和一个阻带: ，因此它的功能是衰减 到 和 间的信号。同高通滤波电 路相似，由于受有源器件带宽的限制，通带 点所在角频率 也叫中心角频率。 也是有限的。带阻滤波电路抑制频带中 本系统中某次实验所测滤波器的截止频率参考值如下:（注:由于元器件自身因素，会影 响截止频率的精度。所以实验实测时允许误差。 ） 无源低通滤波器 20KHz;有源低通 17KHz;无源高通 14.5KHz;有源高通 14.5KHz;无源带通 FL=1.3KHz、FH=18.5KHz;有源带通 FL=24KHz、FH=20.8KHz;无源带阻 FL=4.1KHz、FH=65.2kHz; 有源带阻 FL=6.5KH、FH=38KHz。 四、 实验步骤 实验中信号源的输入信号均为 4V 左右的正弦波。 设置 S2 模块:按下波形切换 S4， 使“SIN” 指示灯亮，调节“模拟输出幅度调节”旋钮，使信号幅度为 4V。 （一）测量低通滤波器的频响特性 1、 逐点测量法 ①连接 S2 模块中模拟信号输出端 P2 与(S3 模块中 P1(低通无源)，保持输入信号幅度为 4V 不变。 ②逐渐改变输入信号频率，并用示波器观测 TP2 处信号波形的峰峰值。 ③将数据填入表(a)中。 ④连接(S2 模块中模拟信号输出端 P2 与 S3 模块中 P5(低通有源) ⑤逐渐改变输入信号频率，并用示波器观测 TP6 处信号波形的峰峰值。 ⑥将数据填入表(b)中 2、 扫频法测量 ①扫频法测量原理 扫频信号是频率在一定范围内的信号的混合， 当它经过滤波器后， 对比分析输入和输出 的信号频率，就可以知道滤波器的特性。 ②扫频信号设置方法 扫频设置方法:将 S2 模块中扫频开关 S3 拨至“0N”， 按下“扫频设置”按钮 S5， 此时“下限” 指示灯亮，调节“ROL1”调节旋钮设置扫频下限频率：再次按下“扫频设置”按钮，“上限”指示 灯亮，调节“ROL1”调节旋钮设置扫频上限频率，扫频范设置完成后，再按一下 “扫频设置” 按钮，此时“分辨率”指示灯会亮，可配合”ROL1”进行扫频分辨率的设置，具体的设置方法如 下： （1）当“分辨率”指示灯亮的时扫频范围上方“上限”和“下限“的指示灯会亮，而频率计上 数码管右方的“MHz”“H2”的指示灯会熄灭。 （2）调节“RO1”来设置“下限频率”和“上限频率” 之间的频点数，一般而言，频点数越少，扫频速度越快：反之，扫频速度越慢。扫频参数设 置好了之后，再按下“扫频设置”即可输出扫频信号。 将扫频范围设置为 100Hz 25KHz，把示波器连接到信号源上输出 P2 处（示波器调为直 流测试档） ，此时点 P2 输出扫频信号。 ③分别把模板 S2 中 P2 输出的扫频信号输入到模块 S3 低通滤波器的输入端 P1 和 P5 对 比观察输入输出信号。 表（a） 低通无源滤波器逐点测法 (V) f(Hz) (V) 截止频率 4 4k 4 4 6k 3.80 4 10k 3.52 4 14k 3.14 4 18k 2.84 4 20k 2.70 4 22k 2.58 4 25k 2.46 4 28k 2.20 4 30k 2.10 20KHz 表（b） 低通有源滤波器逐点测法 (V) f(Hz) (V) 截止频率 4 5k 3.96 4 7k 3.92 4 9k 3.80 4 11k 3.60 4 13k 3.36 4 15k 3.04 4 17k 2.68 4 19k 2.34 4 21k 2.02 4 23k 1.76 17KHz
