有源、無源濾波器實驗報告

實驗五有源、無源濾波器一、實驗目的1、熟悉濾波器構(gòu)成及其特性。2、學會測量濾波器幅頻特性的方法。二、實驗儀器1、RIGOLDS10552D雙蹤示波器2、LTE-XH-03A信號與系統(tǒng)實驗箱信號源及頻率計模塊S23、抽樣定理及濾波器模塊S3三、實驗原理濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制(或大為衰減)無用頻率信號的電子裝置，工程上常用它作信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。這里主要是討論模擬濾波器，以往這種濾波電路主要采用無源元件R、L和C組成，60年代以來，集成運放獲得了迅速發(fā)展，由它和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。此外，由于集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但是，集成運放的帶寬有限，所以目前有源濾波電路的工作頻率難以做得很高，這是它的不足之處。基本概念及初步定義初步定義濾波電路的一般結(jié)構(gòu)如圖所示，圖中的vt(t)表示輸入信號，匕(。為輸出信號。假設濾波器是一個線性時不變網(wǎng)絡，則在復頻域內(nèi)有A(s)=叩必將)v(t)濾波電路濾波器電路的一般結(jié)構(gòu)式中x(s)是濾波電路的電壓傳遞函數(shù)，一般為復數(shù)。對于實際頻率來說(s=j3)則有A(j3)=|A(j3)|e抑(口)這里|A(j3)|為傳遞函數(shù)的模，中0。)為其相位角。二階RC濾波器的傳輸函數(shù)如下表所示:類型傳遞函數(shù)備注低通舔)=——S2+"^S+Gg^y——電壓增益氣一一低通、高通濾波器的截止角頻率氣一一帶阻塞、帶阻濾波器的中心角頻率Q品質(zhì)因數(shù)，Q-氣/BW或"/BW（當BW?%時）BW帶通、帶阻濾波器的帶寬高通AS2心=疽'S2+"^S+Gg帶通間=^^S2—#S+602帶阻y|()4Js2+^2)S2+哉S+^2此外，在濾波電路中關(guān)心的另一個量是時頑（3）,它定義為即（時泓"-^（S）通常用幅頻響應來表征一個濾波電路的特性，欲使信號通過濾波器的失真很小，則相位和時延響應亦需考慮。當相位響應中0（^）作線性變化，即時延響應￡（◎）為常數(shù)時，輸出信號才可能避免失真。濾波電路的分類對于幅頻響應，通常把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，而把受阻或衰減的信號頻率范圍稱為阻帶，通帶和阻帶的界限頻率叫做截止頻率舟。理想濾波電路在通帶內(nèi)應具有零衰減的幅頻響應和線性的相位響應，而在阻帶內(nèi)應具有無限大的幅度衰減（|A（j3）|=0）。通常通帶和阻帶的相互位置不同，濾波電路通?？煞譃橐韵聨最悾鹤鑾Ю硐雽嶋H理想\通帶阻帶—通帶阻帶理想實際理想\通帶阻帶—通帶(a)低通濾波電路(LPF)(b)高通濾波電路(HPF)(c)帶通濾波電路(BPF)(d)帶阻濾波電路(BPF)低通濾波電路:其幅頻響應如圖中a所示，圖中刀0表示低頻增益|刀|增益的幅值。由圖可知，它的功能是通過從零到某一截止角頻機h的低頻信號，而對大于^h的所有頻率完全衰減，因此其帶寬BW=^hn高通濾波電路:其幅頻響應如圖中b所示，由圖可以看到，在0<3<口乙范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于口乙的頻率為通帶。從理論上來說，它的帶寬BW=8，但實際上，由于受有源器件帶寬的限制，高通濾波電路的帶寬也是有限的。帶通濾波電路:其幅頻響應如圖中c所示，圖中口乙為低邊截止角頻率，(DH高邊截止角頻率，30為中心角頻率。由圖可知，它有兩個阻帶:0<3<和3>丹因此帶寬BW=丹-。帶阻濾波電路:其幅頻響應如圖中d所示由圖可知，它有兩個通帶:在0<3<口乙和3>氣，和一個阻帶Wh<3<Gl，因此它的功能是衰減刃乙到口《間的信號。同高通濾波電路相似，由于受有源器件帶寬的限制，通帶3>口乙也是有限的。帶阻濾波電路抑制頻帶中點所在角頻率口0也叫中心角頻率。本系統(tǒng)中某次實驗所測濾波器的截止頻率參考值如下：(注:由于元器件自身因素，會影響截止頻率的精度。所以實驗實測時允許誤差。)無源低通濾波器20KHz;有源低通17KHz;無源高通14.5KHz;有源高通14.5KHz;無源帶通FL=1.3KHz、FH=18.5KHz;有源帶通FL=24KHz、FH=20.8KHz;無源帶阻FL=4.1KHz、FH=65.2kHz;有源帶阻FL=6.5KH、FH=38KHz。四、實驗步驟實驗中信號源的輸入信號均為4V左右的正弦波。設置S2模塊:按下波形切換S4,使“SIN”指示燈亮，調(diào)節(jié)“模擬輸出幅度調(diào)節(jié)”旋鈕，使信號幅度為4V。（一）測量低通濾波器的頻響特性1、逐點測量法①連接S2模塊中模擬信號輸出端P2與（S3模塊中P1（低通無源），保持輸入信號幅度為4V不變。逐漸改變輸入信號頻率，并用示波器觀測TP2處信號波形的峰峰值。將數(shù)據(jù)填入表（a）中。10?uF/25V連接（S2模塊中模擬信號輸出端P210?uF/25V連接（S2模塊中模擬信號輸出端P2與S3模塊中P5（低通有源）逐漸改變輸入信號頻率，并用示波器觀測TP6處信號波形的峰峰值。UA741將數(shù)據(jù)填入表（b）中2、掃頻法測量掃頻法測量原理掃頻信號是頻率在一定范圍內(nèi)的信號的混合，當它經(jīng)過濾波器后，對比分析輸入和輸出的信號頻率，就可以知道濾波器的特性。掃頻信號設置方法掃頻設置方法:將S2模塊中掃頻開關(guān)S3撥至“0N”，按下"掃頻設置”按鈕S5,此時"下限指示燈亮，調(diào)節(jié)“ROL1”調(diào)節(jié)旋鈕設置掃頻下限頻率：再次按下"掃頻設置”按鈕，"上限”指示燈亮，調(diào)節(jié)“ROL1”調(diào)節(jié)旋鈕設置掃頻上限頻率，掃頻范設置完成后，再按一下，掃頻設置”按鈕，此時"分辨率'指示燈會亮，可配合”ROL1”進行掃頻分辨率的設置，具體的設置方法如下：（1）當"分辨率”指示燈亮的時掃頻范圍上方"上限”和"下限"的指示燈會亮，而頻率計上數(shù)碼管右方的“MHz”“H2”的指示燈會熄滅。（2）調(diào)節(jié)“RO1”來設置“下限頻率”和“上限頻率”之間的頻點數(shù)，一般而言，頻點數(shù)越少，掃頻速度越快：反之，掃頻速度越慢。掃頻參數(shù)設置好了之后，再按下"掃頻設置”即可輸出掃頻信號。將掃頻范圍設置為100Hz?25KHz，把示波器連接到信號源上輸出P2處（示波器調(diào)為直流測試檔），此時點P2輸出掃頻信號。分別把模板S2中P2輸出的掃頻信號輸入到模塊S3低通濾波器的輸入端P1和P5對比觀察輸入輸出信號。表（a）低通無源濾波器逐點測法%V)4444444444f(Hz)4k6k10k14k18k20k22k25k28k30k*(V)43.803.523.142.842.7