實驗四-有源濾波器

實驗四有源濾波器一、實驗?zāi)康?、了解有源濾波器的種類、基本結(jié)構(gòu)、工作原理及其特性。2、學(xué)會測量有源濾波器的幅頻特性。二、儀器設(shè)備1、Dais－XTB信號與系統(tǒng)實驗儀。一臺2、雙蹤示波器一臺3、函數(shù)發(fā)生器一臺三、實驗原理有源濾波器具有體積小、性能好、調(diào)整方便等優(yōu)點，在信號處理方面得到了廣泛的應(yīng)用。通常高階的有源濾波器都可由一階和二階的濾波器串聯(lián)而成，其中一階濾波器只需一只電阻和一只電容構(gòu)成一級RC無源網(wǎng)絡(luò)即可。本實驗研究二階RC有源濾波器的有關(guān)問題。1．二階低通有源濾波器二階低通有源濾波器的實驗電路如圖2－7－1（a）所示。圖中將接地端改接到輸出端是為了改善附近的濾波器性能。因為在且接近1的范圍內(nèi)，和相位差小于，起正反饋作用，因而有利于提高這段范圍內(nèi)的輸出幅度，而在頻帶外即時，和基本相同，起促進帶外衰減的作用。當(dāng)時，該濾波器電路的傳遞函數(shù)為截止頻率為品質(zhì)因數(shù)為通帶增益為。該電路的優(yōu)點是改變電阻R即可改變截止角頻率而不影響品質(zhì)因數(shù)Q，因此，調(diào)整時應(yīng)先調(diào)或，使Q滿足要求，然后通過調(diào)節(jié)電阻R將調(diào)準(zhǔn)確。（a）有源低通濾波器（b）有源高通濾波器（c）有源帶通濾波器（d）有源帶阻濾波器圖2－7－1各種濾波器的實驗線路圖2.二階高通有源濾波器只要將低通有源濾波器電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成有源高通濾波器，如圖2－7－1（b）所示。高通濾波器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”關(guān)系。當(dāng)時，它的傳遞函數(shù)為則有，，。該電路的優(yōu)點是改變電容C（或），就可以改變其截止頻率而不影響品質(zhì)因數(shù)Q。因此，調(diào)整時應(yīng)先改變電阻，使Q滿足要求，然后再調(diào)C將調(diào)準(zhǔn)確。3．二階帶通有源濾波器這種濾波器電路的作用是只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號都被阻斷。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波電路中將其中一級改為高通而成，如圖2－7－1（c）所示。二階帶通有源濾波器的傳遞函數(shù)可以自行推導(dǎo)，這里不再給出。該電路的優(yōu)點是改變反相端和的比值，就可以調(diào)整其帶寬，而不影響中心頻率。4．二階帶阻有源濾波器這種電路的性能與帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號不能通過（或受到很大衰減），而在其余頻率范圍，信號則能順利通過，常用于抗干擾設(shè)備中。二階帶阻有源濾波器電路如圖2－7－1（d）所示。當(dāng)，時，它的傳遞函數(shù)為式中，由上式可得中心頻率為：品質(zhì)因數(shù)為：該電路的特點是：當(dāng)調(diào)整使之接近時，陷波作用顯得明顯，只要保持的條件，調(diào)整比值，就可以控制輸出幅度及Q值，而改變R（或C）即可調(diào)整中心頻率，兩者之間互不影響。四、預(yù)習(xí)要求1、對教材的相關(guān)內(nèi)容和實驗原理、目的與要求、步驟和方法作充分的預(yù)習(xí)。2、推導(dǎo)有源帶阻濾波器的傳遞函數(shù)，并畫出該濾波器的幅頻特性曲線。3、在方波激勵下，預(yù)測各類濾波器的響應(yīng)情況。五、實驗內(nèi)容及步驟1、濾波器的輸入端接正弦信號發(fā)生器，濾波器的輸出端接示波器或交流數(shù)字毫伏表。2、測試有源低通濾波器的幅頻特性。實驗時，必須在保持正弦信號輸入電壓幅值不變的情況下，逐漸改變其頻率，用實驗箱提供的數(shù)字式有效值交流電壓表（10Hz<f<1MHz），測量濾波器輸出端電壓的幅值，并把所測的數(shù)據(jù)記錄表2-7-1。注意每當(dāng)改變信號源頻率時，都必須觀測輸入信號使之保持不變。實驗時應(yīng)接入雙蹤示波器，分別觀測輸入和輸出的波形（注意：在整個實驗過程中應(yīng)保持恒定不變）。取R＝1K、C＝0.01uF、放大系數(shù)K＝1。表2－7－1RC有源低通濾器幅頻特性測試數(shù)據(jù)f(Hz)(rad/s)(Hz)(V)(V)3、分別測試有源HPF、BPF、BEF的幅頻特性。實驗步驟、數(shù)據(jù)記錄表格及實驗內(nèi)容，自行擬定。4、研究各濾波器對方波信號或其它非正弦信號輸入的響應(yīng)（實驗步驟自擬、選做）。六、注意事項1、在實驗測量過程中，必須始終保持正弦波信號源的輸出（即濾波器的輸入）電壓幅值不變，且輸入信號幅度不宜過大。2、輸出端不可短路，以免損壞運算放大器。七、實驗報告1、根據(jù)實驗測量所得的數(shù)據(jù)，繪制各類濾波器的幅頻特性。2、分析各類有源濾波器的濾波特性。3、分析在方波信號激勵下，濾波器的響應(yīng)情況。（不做要求）4、推導(dǎo)4組有源濾波器傳遞函數(shù)，用Multisim