哈工大模電自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)-RC有源濾波器

姓名班級(jí)學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)日期節(jié)次教師簽字成績(jī)實(shí)驗(yàn)名稱RC有源濾波器的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?〕熟悉由集成運(yùn)放和阻容元件組成的有源濾波器的原理。〔2〕學(xué)習(xí)RC有源濾波器的設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)測(cè)量有源濾波器幅頻特性。2.總體設(shè)計(jì)方案或技術(shù)路線由阻容元件和運(yùn)算放大器組成的濾波電路稱為RC有源濾波器。由于集成運(yùn)放有限帶寬的限制，目前RC有源濾波器的工作頻率較低，一般不超過1MHz?！?〕低通濾波器低通濾波器用來通過低頻信號(hào)，衰減或抑制高頻信號(hào)。二階有源低通濾波器由兩級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，第一級(jí)電容接至輸出端，引入適量正反應(yīng)，以改善幅頻特性。設(shè)計(jì)電路圖如下所示，改變輸入信號(hào)頻率，記錄輸出信號(hào)幅值及放大倍數(shù)，先測(cè)量出一組幅頻特性曲線，再改變電阻R的值，記錄數(shù)據(jù)，得到新的幅頻特性曲線，再進(jìn)行比照。高通濾波器高通濾波器用來通過高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。只要將低通濾波器中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源高通濾波器。高通濾波器的性能與低通濾波器相反，其頻率響應(yīng)和低通濾波器是“鏡像〞的關(guān)系。設(shè)計(jì)電路圖如下所示，改變輸入信號(hào)頻率，記錄輸出信號(hào)幅值及放大倍數(shù)，先測(cè)量出一組幅頻特性曲線，改變電阻R的值，記錄數(shù)據(jù)，得到新的幅頻特性曲線，再進(jìn)行比照。本實(shí)驗(yàn)主要研究低通濾波器和高通濾波器的幅頻特性，截止頻率和品質(zhì)因數(shù)，以及改變電路參數(shù)對(duì)濾波效果的影響。實(shí)驗(yàn)電路圖〔1〕低通濾波器設(shè)計(jì)電路圖〔由Multisim7繪制〕〔2〕高通濾波器設(shè)計(jì)電路圖4.儀器設(shè)備名稱、型號(hào)實(shí)驗(yàn)電路板雙蹤示波器雙路直流穩(wěn)壓電源函數(shù)信號(hào)發(fā)生器數(shù)字萬用表導(dǎo)線假設(shè)干5.理論分析或仿真分析結(jié)果(1)低通濾波器R4=10kΩ時(shí)幅頻特性曲線和相頻特性曲線如下所示用光標(biāo)測(cè)量法測(cè)得截止頻率為2.0314kHz當(dāng)R4=12kΩ時(shí)幅頻特性曲線和相頻特性曲線如下所示用光標(biāo)測(cè)量法測(cè)得截止頻率為2.2220kHz當(dāng)R4=15kΩ時(shí)幅頻特性曲線和相頻特性曲線如下所示用光標(biāo)測(cè)量法測(cè)得截止頻率為2.4108kHz高通濾波器R4=10kΩ時(shí)幅頻特性曲線和相頻特性曲線如下所示用光標(biāo)測(cè)量法測(cè)得截止頻率為1.2514kHzR4=12kΩ時(shí)幅頻特性曲線和相頻特性曲線如下所示用光標(biāo)測(cè)量法測(cè)得截止頻率為1.1526kHzR4=15kΩ時(shí)幅頻特性曲線和相頻特性曲線如下所示用光標(biāo)測(cè)量法測(cè)得截止頻率為1.0527kHz6.詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)記錄〔包括各儀器、儀表量程及內(nèi)阻的記錄〕〔1〕檢查導(dǎo)線通斷，儀器儀表是否正常?！?〕按低通濾波器電路圖連接好電路，接通電源，輸入端接信號(hào)發(fā)生器，輸出端接示波器ch1,示波器ch2接口接信號(hào)發(fā)生器?！?〕令其輸出幅度為1V的正弦波信號(hào)，在濾波器截止頻率附近改變輸入信號(hào)頻率，觀察電路是否具有低通特性，如不具備，應(yīng)排除電路故障?！?〕用示波器觀察輸出電壓幅度的變化，記錄相應(yīng)的頻率和幅度到表格，根據(jù)表格數(shù)據(jù)描繪出幅頻特性曲線?！?〕找出曲線上截止頻率的那一點(diǎn)，記錄截止頻率的值，并與理論值進(jìn)行比擬，說明誤差原因?！?〕對(duì)高通濾波器的研究重復(fù)上述過程即可。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理：二階低通濾波器幅頻特性測(cè)試記錄〔1〕R4=10kΩ時(shí)輸入幅度1.0Vf/Hz10100200400600100012001400150018001.87k2.0k2.5k3.0k4.0k8.0k10kUo/V2.012.012.012.052.092.132.091.931.811.451.411.250.840.60.360.160.08截止頻率=1.87kHz通帶增益=2.01依據(jù)表格描繪出幅頻特性曲線〔2〕R4=12kΩ時(shí)輸入幅度1.0Vf/Hz1010050080010001.2k1.5k1.8k2.0k20232.2k2.8k3.5k5.0k6.0k8.0k9.0kUo/V2.212.212.292.492.572.612.371.891.571.551.290.80.520.280.240.160.12截止頻率=2.010kHz通帶增益=2.21依據(jù)表格描繪出幅頻特性曲線〔2〕R4=15kΩ時(shí)輸入幅度1.0Vf/Hz10020050080010001.2k1.4k1.8k2.0k22902.3k2.5k3.0k4.0k6.0k7.0k10kUo/V2.492.532.693.13.53.864.022.932.291.771.611.290.840.480.320.20.12截止頻率=2.229kHz通帶增益=2.49依據(jù)表格描繪出幅頻特性曲線二階高通濾波器幅頻特性測(cè)試記錄〔1〕R4=10kΩ時(shí)輸入幅度1.0Vf/Hz2505008001.0k1.2k12331.3k1.5k1.8k2.0k2.2k3.0k4.0k5.0k6.0k7.0k8.0kUo/V0.060.2170.580.91.371.411.531.852.092.172.252.172.092.092.012.012.01截止頻率=1.233kHz通帶增益=2.01〔2〕R4=12kΩ時(shí)輸入幅度1.0Vf/Hz3005008009001k11461.2k1.5k1.8k2.0k2.5k3.0k4.0k5.0k7.0k9.0k10kUo/V0.0920.2450.841.121.171.561.692.432.752.772.632.532.372.292.252.212.21截止頻率=1.146kHz通帶增益=2.21〔2〕R4=15kΩ時(shí)輸入幅度1.0Vf/Hz3005008001.0k10511.1k1.3k1.5k2.0k2.5k3.0k4.0k5.0k6.0k7.0k9.0k10kUo/V0.110.290.841.531.772.013.264.424.263.503.142.812.692.612.572.532.49截止頻率=1.051kHz通帶增益=2.497.實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)于RC二階有源濾波器，通帶增益為Au=1+R/R1，本電路圖中R4=R，故R4=10kΩ時(shí)，通帶增益2.0，R4=12kΩ時(shí)，通帶增益為2.2，R4=15kΩ時(shí)，通帶增益2.5，所以通帶增益測(cè)量數(shù)據(jù)根本準(zhǔn)確。對(duì)于低通濾波器，低頻時(shí)信號(hào)可以通過，高頻時(shí)信號(hào)受到抑制，測(cè)得R4=10kΩ時(shí)的截止頻率為1870Hz，R4=12kΩ時(shí)的截止頻率為2023Hz，R4=15kΩ時(shí)的截止頻率為2229Hz，與仿真結(jié)果根本一致。幅頻特性會(huì)在某一點(diǎn)到達(dá)極大值，這是因?yàn)樵谶@一點(diǎn)頻率附近的正反應(yīng)作用最強(qiáng)，使該頻段的閉環(huán)增益最大，另外，隨著R4的增大，幅頻特性曲線被抬升的程度明顯增大，極值處更加鋒利。品質(zhì)因數(shù)Q=1/(3-AU)，由以上曲線圖可以看出，Q越大，幅頻特性的極大值處更鋒利。對(duì)于高通濾波器，高頻時(shí)信號(hào)可以通過，低頻時(shí)信號(hào)受到抑制，測(cè)得R4=10kΩ時(shí)的截止頻率為1233Hz，R4=12kΩ時(shí)的截止頻率為1146Hz，R4=15kΩ時(shí)的截止頻率為1051Hz，與仿真結(jié)果根本一致。與低通濾波器相似，它的幅頻特性也會(huì)在某一點(diǎn)到達(dá)極大值，這是因?yàn)樵谶@一點(diǎn)頻率附近的正反應(yīng)作用最強(qiáng)，使該頻段的閉環(huán)增益最大，另外，隨著R4的增大，幅頻特性曲線被抬升的程度明顯增大，極值處更加鋒利。品質(zhì)因數(shù)Q=1/(3-AU)，由以上曲線圖可以看出，Q越大，幅頻特性的極大值處更鋒利。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及解決對(duì)策連電路時(shí)發(fā)現(xiàn)0子板上沒有12kΩ的電阻，于是采用了10kΩ與2kΩ串聯(lián)的方式。第一次連好電路圖后未能在示波器上看到輸出波形，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)有有一條導(dǎo)線接觸不良，更換導(dǎo)線后即看到波形完整地顯示在屏幕上。9.本次實(shí)驗(yàn)的收獲和體會(huì)、對(duì)電路實(shí)驗(yàn)室的意見或建議本次實(shí)驗(yàn)使我的自主設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力