7有源滤波器设计实验.docx
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7有源滤波器设计实验
电气工程学院
实验名称：
有源滤波器设计实验
课程：
电路与电子技术实验2
课程号：
101C0330
学期：
2018春夏学期
任课教师：
沈连丰
专业：
电气工程及自动化
姓名：
白汉林
学号：
3160103033
日期：
星期一下午
地点：
东3-212桌号A4
实验报告
课程名称：
电路与电子技术实验2指导老师：
沈连丰成绩：
__________________
实验名称：
有源滤波器设计实验实验类型：
练习型
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的和要求
1．掌握有源滤波器的分析和设计方法。
2．学习有源滤波器的调试、幅频特性的测量方法。
3．了解滤波器的结构和参数对滤波器性能的影响。
4．用EDA仿真的方法来研究滤波电路，了解元件参数对滤波效果的影响。
二、实验内容和原理
实验原理：
1.传递函数Av（s）：
反映滤波器增益随频率的变化关系，也称为电路的频率响应、频率特性。
2.通带增益Avp：
为一个实数。
（针对LPF）、（针对HPF）、（针对BPF）、（针对BEF）。
3.固有频率f0：
也称自然频率、特征频率，其值由电路元件的参数决定。
4.通带截止频率fp：
滤波器增益下降到其通带增益Avp的0.707倍时所对应的频率（也称–3dB频率、半功率点、上限频率（H、fH）或下限频率（L、fL）。
5.品质因数Q：
反映滤波器频率特性的一项重要指标，不同类型滤波器的定义不同。
例如，在低通和高通滤波器中，定义为当时增益的模与通带增益之比。
实验内容：
1.设计一个简单的二阶、有源、低通滤波器（LPF，同相型），并测量其幅频特性。
2.设计一个简单的有源、低通滤波器（LPF，同相型），并测量其幅频特性。
3.设计一个二阶、有源、压控型（单一正反馈支路）、低通滤波器（LPF，同相型），并测量其幅频特性。
4.设计一个二阶、有源、多路负反馈型、低通滤波器（LPF，反相型），并测量其幅频特性。
三、主要仪器设备
1.集成运算放大器LM358
2.电阻电容等元器件
3.MY61数字万用表
4.示波器
5.函数信号发生器
四、操作方法和实验步骤
1、实验内容
（1）在实验板上安装所设计的电路。
（2）有源滤波器的静态调零。
（3）测量滤波器的通带增益Avp、通带截止频率fp。
（4）测量滤波器的频率特性（有条件时可使用扫频仪）。
（5）改变电路参数，研究品质因数Q对滤波器频率特性的影响。
2、设计一个二阶有源低通滤波器。
具体要求如下：
（1）通带截止频率：
fp=1kHz；
（2）通带增益：
Avp=1~2；
（3）品质因数：
Q=0.707；
（4）集成运放选用LM358，电容选用0.1～0.01μF，电阻控制在kΩ~MΩ数量级。
3、有源低通滤波器的调试方法
（1）定性检查电路是否具备低通特性
在输入端加上幅度固定的正弦波信号，改变输入信号的频率范围，用示波器或交流毫伏表观测输出电压的幅度变化（要求峰峰值≤10Vpp），检查电路是否具备低通特性。
如不具备，则应找出原因，排除电路故障；如已具备低通特性则可进一步调试低通滤波器的特性。
（2）低通滤波器的特性调试
低通滤波器的特性调试应按有关计算式进行。
在一般情况下，应尽量选用相互间没有影响或影响较小的元件进行调整。
如果有必要，这些调整须反复进行。
（3）测绘滤波电路的幅频特性曲线。
有条件时，可用扫频仪直接观测滤波电路的幅频特性。
4、设计一个二阶有源低通滤波器。
分别选用如下3种电路形式来实现。
二阶、有源、压控型（单一正反馈支路）、低通滤波器（LPF，同相型）：
简单的二阶、有源、低通滤波器（LPF，同相型）：
二阶、有源、多路负反馈型、低通滤波器（LPF，反相型）：
五、实验数据记录和处理
1.简单的二阶、有源、低通滤波器（LPF，同相型）
取输入Vpp=500mV
f/Hz
1
3
10
30
100
300
1k
3k
10k
30k
100k
Vo/V
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.00
0.872
0.496
0.176
0.072
0.040
仿真如下：
得到的幅频特性曲线如下：
2.简单的有源、低通滤波器（LPF，同相型）
取输入Vpp=10V
f/Hz
100
300
1k
30k
100k
300k
1M
3M
10M
30M
100M
Vo/V
20.63
20.63
20.63
20.63
17.34
6.56
1.997
0.640
0.473
0.306
0.275
当波形刚开始出现时的波形：
此时的Vpp为18.6V，频率为9.346kHz。
仿真如下：
得到的幅频特性曲线如下：
输入信号幅度控制为10mV。
有：
fH≈537kHz。
3.二阶、有源、压控型（单一正反馈支路）、低通滤波器（LPF，同相型）
取输入Vpp=500mV
f/Hz
1
3
10
30
100
300
1k
3k
10k
30k
100k
Vo/V
1.025
1.025
1.025
1.025
1.125
1.219
1.343
0.5
0.187
0.156
0.093
仿真结果如下：
4.二阶、有源、多路负反馈型、低通滤波器（LPF，反相型）
取输入Vpp=600mV，其中Vo1为C=0.1μF时的输出电压幅值，Vo2为C=0.01μF时的输出电压幅值
f/Hz
1
3
10
30
100
300
1k
3k
10k
30k
100k
Vo1/mV
609
609
625
640
656
719
281
140
125
109
78
Vo2/mV
609
609
609
609
609
578
390
218
125
93
78
C1=0.01u:
C2=0.1u:
六、实验结果与分析
1.简单的二阶、有源、低通滤波器（LPF，同相型）
由“逐点测量法”测量并绘制出的滤波电路的幅频特性曲线可以发现，这是一条先保持稳定然后下降的曲线。
并且，当输出电压幅值为初始稳定输出值的1/3时，频率f0约为1.59kHz，当输出电压幅值为初始稳定输出值的0.707倍时，频率fp约为0.59kHz，为f0的0.37倍。
2.简单的有源、低通滤波器（LPF，同相型）
由“逐点测量法”测量并绘制出的滤波电路的幅频特性曲线可以发现，这是一条先保持稳定然后下降的曲线。
并且，当输出电压幅值为初始稳定输出值的0.707倍时，频率fp约为535kHz。
当输出电压波形刚开始出现三角波时，产生如下的波形：
此时的输出电压Vpp为18.60V，频率为9.346kHz。
输入信号幅度控制为10mV。
有：
改变输入信号的频率范围，用示波器或交流毫伏表观察输出电压的幅度变化。
当测出的输出电压值达到Uo×0.707值时，停止信号源频率的改变，此时信号源所对应的输出频率即为上限频率fH或下限频率fL。
Uo=16.0mV。
fH≈600kHz。
3.二阶、有源、压控型（单一正反馈支路）、低通滤波器（LPF，同相型）
取Rf=39k时，由“逐点测量法”测量并绘制出的滤波电路的幅频特性曲线可以发现，这是一条先保持稳定然后先稍有上升，再逐渐下降至0的曲线。
并且，当输出电压幅值先上升再下降至与原初始稳定电压幅值相等时，频率约为1.6kHz，当输出电压幅值为初始稳定输出值的0.707倍时，频率fp约为2kHz。
取Rf=100k时，Avp>3，Q趋向于无穷大，电路产生如下所示的自激振荡波形：
4.二阶、有源、多路负反馈型、低通滤波器（LPF，反相型）
取C1=0.01u时，由“逐点测量法”测量并绘制出的滤波电路的幅频特性曲线可以发现，这是一条先保持稳定，再逐渐下降至0的曲线。
取C1=0.1u时，由“逐点测量法”测量并绘制出的滤波电路的幅频特性曲线可以发现，这是一条先保持稳定然后先稍有上升，再逐渐下降至0的曲线。
七、讨论、心得
这次实验难度不大，通过本次实验，我掌握了有源滤波器的分析和设计方法，学习了有源滤波器的调试、幅频特性的测量方法，加深了对于滤波器的结构和参数对滤波器性能的影响的理解。
实验完成后我还用EDA仿真的方法来研究滤波电路，再次强化了PSpice的熟练程度，了解了元件参数对滤波效果的影响。
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