任务四 有源滤波器_电子/电路_工程科技_专业资料。任务四 有源滤波器的制作与测试 [知识链接]滤波器简介 一、滤波器的基本概念 二、RC有源滤波器 ◆思考与练习 [技能实训]有源滤波器的制作与测试 一、实训目标 二、实训设备 三、实训内容与步骤 四
任务四 有源滤波器的制作与测试 [知识链接]滤波器简介 一、滤波器的基本概念 二、RC有源滤波器 ◆思考与练习 [技能实训]有源滤波器的制作与测试 一、实训目标 二、实训设备 三、实训内容与步骤 四、实训注意事项 五、实训考核 ◆六、实训思考 [知识链接]滤波器简介 ? 在通信、测量以及自动控制系统中，常需要对信号 频率进行选择，让特定频率范围内的信号通过，将 该频率范围之外的信号加以阻止，具有这种功能的 电路就称为滤波器（filter）。根据滤波器中是否 存在有源器件（如集成运放），将滤波器分为无源 滤波器和有源滤波器两大类。相对于无源滤波器 （由无源器件R、L、C构成），有源器件具有增益 可控、前后级电路之间的相互影响小等一系列优点。 常见的有源滤波器是RC有源滤波器。 一、滤波器的基本概念 ? ? 1、滤波方式 图2-4-1所示，为滤波器的框图。根据电路所选择的频带（即频率范围） 特征，可将滤波器分为低通滤波器（low — pass filter，简记LPF）、 高通滤波器（high — pass filter ，简记HPF）、带通滤波器 （band — pass filter，简记BPF）以及带阻滤波器（band — rejet filter，简记BRF）。 ? ? 图2-4-1滤波器的框图 图2-4-2滤波器的理想幅频特性曲线 上述四种滤波方式的电路，各自的理想幅频特性曲线（a）、 （b）、（c）、（d）所示。能够通过电路或者说受到电路选择的频率 范围，称为通带（图中用阴影线表示）。受到电路阻止或抑制的频率范 围，称为阻带。通带与阻带的临界频率，称为截止频率，它有上限频率 fH和下限频率fL两种。 ? ? 2、RC电路的滤波特性 电容器对不同频率的信号呈现的阻碍作用不同，其容抗Xc=1/2π FC。频 率越高，信号受到的阻碍便越小。那么，利用RC电路的分压便可获得低 通滤波器与高通滤波器。 图2-4-3（a）、（b）所示，为RC低通滤波器的电路图及其幅频特性曲 线。输出电压取自电容两端，频率越低，容抗越大，分压输出便越大。 经分析，该电路的截止频率（即通带上限频率） fH=1/2πRC 。 图2-4-4（a）、（b）所示，为RC高通滤波器的电路图及其幅频特性曲 线。输出电压取自电阻两端，频率越高，容抗越小，分压输出便越大。 经分析，该电路的截止频率（即通带下限频率） fL=1/2πRC 。 ? ? （a）电路图 （b）幅频特性曲线 （a）电路图 （b）幅频特性曲 图2-4-3 RC低通滤波器 图2-4-4 RC高通滤波器 ? 利用低通滤波器与高通滤波器的串联，可获带通滤波器，但要求LPF的 通带上限频率fH高于HPF的通带下限频率fL；利用低通滤波器与高通滤 波器的并联，可获带阻滤波器，但要求LPF的通带上限频率（即阻带下 限频率fL）低于HPF的通带下限频率（即阻带上限频率fH）。分别如图 2-4-5和图2-4-6所示。 ? 图2-4-5 LPF与HPF串联构成BPF ? 图2-4-6 LPF与HPF并联构成BRF 二、RC有源滤波器 ? 上面所讨论的RC滤波器明显存在两方面的缺点： （1）最大为1，即增益小，且不可控制；（2）接 上负载后，其幅频特性变化较大，即负载特性差。 为此，通常在RC无源滤波器的基础上接入有源器 件——集成运放，且通过引入负反馈，让集成运放 线性工作，这样也就构成了有源滤波器。根据RC滤 波环节的个数多少，又将有源滤波器分为一阶有源 滤波器、二阶有源滤波器等等。应用最多的是二阶 有源滤波器。 ? 1、RC有源低通滤波器 ? ? ? 图2-4-7 一阶RC有源低通滤波器 图2-4-8二阶RC有源低通滤波器 图2-4-7所示，为一阶RC有源低通滤波器。（a）图为同相输入方式，该 电路的低频电压增益 Au=1+Rf/R1 ， 截止频率 fH=1/2πRC；（b）图为 反相输入方式，该电路的低频电压增益Au=-Rf/R1 ，截止频率为 fH=1/2πRfC 。一阶滤波器在ffH时的增益下降速度慢，滤波效果不好。 图2-4-8所示，为二阶RC有源低通滤波器。第一级电容引入正反馈，可 改善幅频特性。该电路的低频电压增益 Au=1+Rf/R1 ，截止频率 fH=1/2πRC 。相对于一阶滤波器，其滤波效果得到明显改善。 ? 2、RC有源高通滤波器 ? 图2-4-9 一阶RC有源高通滤波器 图2-4-10 二阶RC有源高通滤波器 ? 图2-4-9与2-4-10所示，分别为一阶、二阶RC有源高通滤波器。高频电 压增益Au=1+R1/Rf ；截止频率fH=1/2πRC 。 ? ? 3、RC有源带通滤波器与带阻滤波器 通过合理选择低通滤波器与高通滤波器的元件参数，并将它们按一定的 方式加以连接，即可获得带通滤波器与带阻滤波器。示例如图2-4-11和 图2-4-12。 ? ? 图2-4-11 RC有源带通滤波器 图2-4-12 双T有源带阻滤波器 需要指出的有（1）图2-4-11所示电路能稳定工作的条件是：1+Rf/R13， 即Rf2R1；（2）图2-4-11所示电路的幅频特性曲线-4-13 有源带通滤波器的幅频特性曲线 ? ◆思考与练习 ? 什么是LPF、HPF、BPF和BRF？分别定性画出各自的 幅频特性曲线。 [技能实训]有源滤波器的制作与测试 ? ? ? ? 一、实训目标 1、增强专业意识，培养良好的职业道德和职业习惯； 2、熟悉RC有源低通、高通及带通滤波器的电路组成与工作特性； 3、会熟练使用常用电子仪器仪表； 4、会制作有源LPF、HPF及BPF，并能完成电路测试。 ? ? ? ? 二、实训设备 1、通用面包板1块； 2、双踪示波器1台； 3、万用表1块； 4、函数信号发生器1台； 5、晶体管毫伏表1块； 6、集成运放μ A741 1个，47kΩ 电阻器2个，10kΩ 电阻器2个，20kΩ 电 阻器1个，0.01μ F电容器2个。 ? ? ? ? ? ? ? 三、实训内容与步骤 1、识别与检测元器件。若有元器件损坏，请说明情况。其中，集成运 放μ A741的引脚排列示意图如图2-4-17所示，电源电压选择±12V。 2、有源低通滤波器的制作与测试 （1）按图2-4-14进行电路装接。 （2）接通直流电源，接入函数信号发生器为电路提供正弦输入信号ui， 用双踪示波器监测ui和uo的波形。接下来，进行电路幅频特性的测试。 ? ? ? 图2-4-14有源LPF 图2-4-15 有源HPF ? 图2-4-16 有源BPF 图2-4-17 μ A741的引脚排列示意图 ? ? ? ? ? ①粗测通带上限频率fH 调节函数信号发生器的输出，使Ui=1V,f由零起逐渐调大，观察uo的幅值 变化情况。用毫伏表测量低频段基本不变的UO,得UO（max）= 。 然后，逐渐调高输入信号的频率，用毫伏表监测UO，当UO降至0.707 UO （max）时，停止频率调节，用示波器读取信号频率，即得 LPF的截止频率， fH= 。若电路不具有低通特性，说明存在故障，应进行故障 排除，并记录如下： 故障现象及排除过程: 。 ②幅频特性曲线的测绘 调节函数信号发生器的输出，使fL=fH/10，在uo波形不失真的前提下，逐 渐调大Ui来选取较大的正弦输入信号。用毫伏表测量所选取的合适输入 信号Ui值，填入表2-4-1上面的相应位置。然后，保持Ui不变，逐点改变 输入信号频率，用毫伏表测量各频率点的输出UO，计算对应的Au，记入 表2-4-1。最后，根据所得的测试结果，在图2-4-18中描绘LPF的幅频特 性曲线 LPF的幅频特性测试数据（Ui= 序号 f（Hz） UO（V） ∣Au∣ ） 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 ? 图2-4-18 LPF的 幅频特性曲线 HPF的 幅频特性曲线 BPF的 幅频特性曲线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3、有源高通滤波器的制作与测试 （1）按图2-4-15进行电路装接。（只需在LPF的基础上稍作改动即可） （2）幅频特性的测试 ①粗测通带下限频率fL 调节函数信号发生器的输出，使Ui=1V，f由零起逐渐调大，观察uo的幅值变化情况。用毫 伏表测量高频段基本不变的UO，得UO（max）=_______________。然后，逐渐调低输入信号的 频率，用毫伏表监测UO，当UO降至0.707 UO（max）时，停止频率调节，用示波器读取信号频 率，即得HPF的截止频率，fL= 。若电路不具有高通特性，说明存在故障，应 进行故障排除，并记录如下： 故障现象及排除过程:___________________________________________________。 ②幅频特性曲线的测绘 调节函数信号发生器的输出，使f=10fL，在uo波形不失真的前提下，逐渐调大Ui来选取较 大的正弦输入信号。用毫伏表测量所选取的合适输入信号Ui值，填入表2-4-2上面的相应 位置。然后，保持Ui不变，逐点改变输入信号频率，用毫伏表测量各频率点的输出UO，计 算对应的Au，记入表2-4-2。最后，根据所得的测试结果，在图2-4-19中描绘HPF的幅频特 性曲线 HPF的幅频特性测试数据（Ui= ） 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 f（Hz） UO（V） ∣Au∣ ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4、有源带通滤波器的制作与测试 （1）按图2-4-16进行电路装接。（只需在HPF的基础上稍作改动即可） （2）幅频特性的测试 ①粗测通带中心频率fO、下限频率fL和上限频率fH 调节函数信号发生器的输出，使Ui=1V，f由零起逐渐调大，观察uo的幅值变化情况。用毫伏 表测量中频段最大的UO，得UO（max）= ，对应的频率即为fO，fO= 。然 后，逐渐向两端调低信号频率，用毫伏表监测UO，当UO降至0.707 UO（max）时，停止频率调 节，用示波器读取信号频率，即得BPF的两个截止频率，fL= ，f H = 。若电 路不具有带通特性，说明存在故障，应进行故障排除，并记录如下： 故障现象及排除过程:_____________________________________________。 ②幅频特性曲线的测绘 调节函数信号发生器的输出，使f=fO，在uo波形不失真的前提下，逐渐调大Ui来选取最大的 输入信号，并用毫伏表加以测量，将Ui值填入表2-4-3上面的相应位置。然后，保持Ui不变， 逐点改变输入信号频率，用毫伏表测量各频率点的输出UO，计算对应的Au，记入表2-4-3。 最后，根据所得的测试结果，在图2-4-20中描绘BPF的幅频特性曲线 BPF的幅频特性测试数据（Ui= ） 序号 f（Hz） UO（V） ∣Au∣ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ? ? 四、实训注意事项 1、要按工艺要求安装电子元器件，插件装配要美观、均匀、整齐，高 低有序，不能歪斜； 2、集成块插入槽中，应使其识别标记向左，不能插反，芯片要按实， 以保证可靠接触。同时，连接导线、严禁集成运放的电源极性接反以及输出短路，以免损坏芯片； ? ? ? 4、电路装接好之后才可通电测试，且不要带电改装电路； 5、采用点频法测绘LPF和HPF的幅频特性曲线时，频率刻度可采用两倍 频方式（f:21、22、23、……），且频率取样点主要集中在截止频率附 近。测绘BPF的幅频特性曲线时，在粗测出fO、fL和fH后，以fO中心向 两端进行等间距的频率取样，且测试点向通带两侧适当外延。 ? ? ? 项目 五、实训考核（见表2-4-4） 表2-4-4有源滤波器的制作与测试考核表 内容 配分 考核要求 扣分标准 得分 实训态度 1、实训的积极性； 2、安全操作规程的遵守情况； 3、纪律遵守况 1、元器件识别； 2、元器件检测。 30分 积极参加实训，遵守安 全操作规程和劳动纪律， 有良好的职业道德和敬 业精神。 能正确识别元器件；会 用万用表检测元器件。 违反安全操作规程扣30分，其 余不达要求酌情扣分。 元器件 的识别 与检测 10分 不能识别元器件，每个扣1分； 不会检测元器件，每个扣1分。 按电路图装配LPF、HPF和BPF。 电路的制作 15分 电路装接符合工艺规范； 走线美观。 仪器、仪表使用正确； 能对滤波器的截止频率 进行粗测；能合理选择 频率取样点，完成幅频 特性曲线的测绘。 电路装接不规范，每处扣1分； 电路接错，每处扣5分；其余酌 情扣分。 仪器、仪表使用错误，每次扣2 分；数据记录、处理错误，每 次扣1分。测绘方法不对，每处 扣5分；其余酌情扣分。 45分 电路的调试 LPF、HPF和BPF的幅频特性测试。 100分 合计 注：各项配分扣完为止 ? 六、实训思考 1、请将各滤波器幅频特性实测参数与理论值作一比较，思考一下：误 差产生的因素可能有哪些？ ? ? 2、滤波器的幅频特性曲线也可用扫频法获得，请查阅有关扫频仪（又 称频率特性测试仪）的资料，思考一下：如何用扫频仪对滤波器进行频 率特性测试？
