【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 12 實(shí)驗(yàn) 五 無(wú)源與有源濾波器 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解無(wú)源和有源 LPF(低通濾波器 )、無(wú)源和有源 HPF(高通濾波器 )、無(wú)源和有源BPF(帶通濾波器 )、無(wú)源和有源 BEF(帶阻濾波器 )基本結(jié)構(gòu)及其特性，通過(guò)設(shè)計(jì)電路，測(cè)量這些濾波器的幅頻特性，分析比較無(wú)源和有源濾波器的濾波特性。掌握無(wú)源和有源濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。 二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理 (參考教材 3637 頁(yè) ) 濾波器是一種能讓某些頻率的信號(hào)通過(guò)，而抑制某些頻率的信號(hào)的二端口網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)可以由 RLC 元件或 RC元件構(gòu)成的無(wú)源濾波器，也可由 RC 元件和有源器件構(gòu)成的有源濾波器。 根據(jù)幅頻特性所表示的通過(guò)或阻止信號(hào)頻率范圍的不同，濾波器可分為低通濾波器（ LPF）、高通濾波器（ HPF）、帶通濾波器（ BPF）、和帶阻濾波器（ BEF）四種。 各種濾波器的幅頻特性曲線(xiàn)如下個(gè)圖所示。 BPF BEF 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 13 圖 四種濾波器的幅頻特性 三、 實(shí)驗(yàn)步驟 1． 將電路板接通 電源， 用 示波器從總體上先觀(guān)察各類(lèi)濾波器的濾波特性。 2． 實(shí)驗(yàn)時(shí)，在保持 濾波器輸入 正弦波信號(hào)幅值（ Vi）不變的情況下，逐漸改變 其頻率，用示波器 測(cè)量濾波器輸出端的電壓 VO ,記錄各次的頻率 f 和 VO 。 注意： 當(dāng)改變信號(hào)源頻率時(shí)，應(yīng)觀(guān)測(cè)一下 Vi是否保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)如有改變應(yīng)及時(shí)調(diào)整。 3． 按照以上步驟， 分別測(cè)試無(wú)源 和 有源 LPF、 HPF、 BPF、 BEF 的幅頻特性。 四、 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果 1. 無(wú)源 LPF 和有源 LPF 的幅頻特性測(cè)量 圖 無(wú)源 LPF和有源 LPF的幅頻特性曲線(xiàn) 1 10 100 1000 10000圖表標(biāo)題 無(wú)源 LPF 有源 LPE 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 14 表 無(wú)源 LPF和有源 LPF的幅頻特性測(cè)量 從表 可以看出，無(wú)源 LPF 的上限截止頻率約為 580Hz,有源 LPF 的上限截止頻率約為 1000Hz,即無(wú)源 LPF 的上限截止頻率略低于有源 LPF， 這從其幅頻特性曲線(xiàn)圖中也可以明顯的看出。 2. 無(wú)源 HPF 和有源 HPF 的幅頻特性測(cè)量 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 15 表 無(wú)源 HPF和有源 HPF的幅頻特性測(cè)量 圖 無(wú)源 HPF和有源 HPF的幅頻特性 曲線(xiàn) 從表 中可以看出，無(wú)源 HPF 的下限截止頻率約為 4500Hz，有源 HPF 的下限截止頻率約為 2600Hz,可見(jiàn)無(wú)源 HPF 的下限截止頻率略高于有源 HPF的上限截止頻1 10 100 1000 10000 100000圖表標(biāo)題 無(wú)源 HPF 有源 HPF 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 16 率。 3. 無(wú)源 BPF 和有源 BPF 的幅頻特性 測(cè)量 圖 無(wú)源 BPF和有源 BPF的幅頻特性 表 無(wú)源 BPF和有源 BPF的幅頻特性 測(cè)量 1 10 100 1000 10000 100000圖表標(biāo)題 無(wú)源 BPF 有源 BPF 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 17 從上圖中還是可以非常清楚的看出帶通的效果，即允許某一段頻率通過(guò)，衰減和削弱兩邊的頻率，但是此次實(shí)驗(yàn)的誤差較大，帶通電路對(duì)允許通過(guò)頻率的衰減也略大。 4. 無(wú)源 BPF 和有源 BPF 的幅頻特性測(cè)量 表 無(wú)源 BPF和有源 BPF的幅頻特性 測(cè)量 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 18 圖 無(wú)源 BEF和有源 BEF的幅頻特性曲線(xiàn) 從表 ，無(wú)源 BEF的特征頻率 約 為 1600Hz， 上限 截止頻率 fH=240Hz，下限 截止頻率 fL=13000Hz； 有源 BEF的特征頻率為 10000Hz， 上限 截止頻率 fH=610Hz，下限 截止頻率 fL=4000Hz。 1, 10, 100,圖表標(biāo)題 無(wú)源 BPF 有源 BPF 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 19 五、結(jié)果分析與討論 有源濾波器比無(wú)源濾波器濾波效果更好。這是因?yàn)闊o(wú)源濾波器主要由無(wú)源元件R、 L 和 C 組成，有源濾波器還加入了集成運(yùn)放，集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，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，因此有源濾波器的頻率響應(yīng)比無(wú)源濾波器更為理想。但有源濾波器也有其問(wèn)題，在本實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為，受運(yùn)放增益帶寬積的影響，有源濾波器的穩(wěn)定工作頻率范圍較為有限。 六、 思考題 1．示波器所測(cè)濾波器的實(shí)際幅頻特性與 計(jì)算出的 理想幅頻特性有何區(qū)別？ 答： 示波器測(cè)出的實(shí)際幅頻特性曲線(xiàn)比較平緩，不像計(jì)算出的理想幅頻特性曲線(xiàn)那樣陡升陡降。這是由于實(shí)際電路往往存在一定延時(shí)性造成的。 示波器測(cè)出的實(shí)際幅頻特性的截止頻率點(diǎn)與計(jì)算出的理想幅頻特性有所偏差。這是因?yàn)閷?shí)際電路元件與標(biāo)稱(chēng)值均有一定的誤差造成的，同時(shí)實(shí)際元器件跟理論上的元器件的理想表現(xiàn)也存在差異。 2．如果要實(shí)現(xiàn) LPF、 HPF、 BPF、 BEF 源濾器之間的轉(zhuǎn)換，應(yīng)如何連接？ 答： 將有源 LPF 與有源 HPF 串接即可得到 BPF 濾波器。將有源 LPF 與有源 HPF的輸出端口接在加法器的兩個(gè)輸入端口，加法器的輸出端口輸出濾波信號(hào)，即構(gòu)成了 BEF。 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 20 實(shí)驗(yàn) 六 LPF、 HPF、 BPF、 BEF 間的變換 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解低通、高通和帶通等不同類(lèi)型濾波器間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 ； 熟悉低通、高通、帶通和帶阻濾波器的模擬電路 ，并掌握其參數(shù)的設(shè)計(jì)原則 。 二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理 由于高通濾波器與低通濾波器間有著下列的關(guān)系： 帶通濾波器的幅頻特性（ cL cHww? ） : 帶阻濾波器的幅頻特性 ( cL cHww? ): 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 21 其中， cLw 為 LPF的帶寬頻率， cHw 為 HPF 的帶寬頻率。 用 EWB 畫(huà)出分別 用 LPF 和 HPF 合成 BPF、 BEF的 模擬電路如下： 圖 LPF和 HPF合成 BPF模擬電路圖 圖 LPF和 HPF合成 BEF模擬電路圖 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 22 三、 實(shí)驗(yàn)步驟 1． 將 實(shí)驗(yàn) 電路接通電源。 2．將 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出 的正弦信號(hào)接入電路中 濾波器的輸入端， 保持其峰峰值不變，調(diào)節(jié)該 正弦信號(hào)頻率 （ 由小到大改變 ） 時(shí) ,用示波器觀(guān)察其低通濾波器輸出峰峰 的變化 ，記錄各頻率與輸出信號(hào)的峰峰值。 3．按步驟 2， 逐步 用示波器觀(guān)察 測(cè)量各 LPF、 HPF、 BPF、 BEF 輸出 ，并記錄數(shù)據(jù)。 四、 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果 1. 有源 LPF+有源 HPF 合成 BPF 實(shí)驗(yàn)： 表 有源 LPF幅頻特性測(cè)量 LPF 頻率 f/Hz Vo/Vi 20 1 50 1 100 200 300 400 420 500 700 1000 1500 1800 2021 2500 信號(hào) 與控制綜合實(shí)驗(yàn) 報(bào)告 —— 信號(hào)部分 23 3000 4000 6000 10000 20210 40000 圖 有源 LPF幅頻特性曲線(xiàn) 表 有源 BPF的幅頻特性測(cè)量 BPF