实验三 RC 有源滤波器
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前言随着计算机技术的发展,模拟电子技术已经成为一门应用范围极广,具有较强实践性的技术基础课程。
电子电路分析与设计的方法也发生了重大的变革,为了培养学生的动手能力,更好的将理论与实践结合起来,以适应电子技术飞速的发展形势,我们必须通过对本次课程设计的理解,从而进一步提高我们的实际动手能力。
滤波器在日常生活中非常重要,运用非常广泛,在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域,经常需要用到各种各样的滤波器。
随着集成电路的迅速发展,用集成电路可很方便地构成各种滤波器。
用集成电路实现的滤波器与其他滤波器相比,其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标,都有了很大的提高。
滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
现在我们通过对滤波器器的原理以及结构设计一个能够低通、高通、带宽、阻带等多种形式的滤波器。
我们通过对电路的分析,参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。
在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。
按照设计的方案选择具体的元件,焊接出具体的实物,并在实验室对事物进行调试,观察效果是否与课题要求的性能指标作对比。
最后分析出现误差的原因以及影响因素。
设计任务书一、设计目的1、学习RC有源滤波器的设计方法;2、由滤波器设计指标计算电路元件参数;3、设计二阶RC有源滤波器(低通、高通、带通);4、掌握有源滤波器的测试方法;5、测量有源滤波器的幅频特性。
二、设计要求和技术指标1、技术指标(1) 低通滤波器:通带增益AUF=2;截止频率fH =2000Hz;Ui=100mV;阻带衰减:不小于-20dB/10倍频;(2) 高通滤波器:通带增益AUF=5;截止频率fL =100Hz;Ui=100mV;阻带衰减:不小于-20dB/10倍频;(3) 带通滤波器:通带增益AUF=2;中心频率:fO =1kHz;Ui=100mV;阻带衰减:不小于-20dB/10倍频。
2、设计要求(1)分别设计二阶RC低通、高通、带通滤波器电路,计算电路元件参数,拟定测试方案和步骤;(2)在面包板或万能板上安装好电路,测量并调整静态工作点;(3)测量技术指标参数;(4)测量有源滤波器的幅频特性并仿真;(5)写出设计报告。
实验七集成运算放大器的基本应用(H)—有源滤波器一、实验目的1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。
2、学会测量有源滤波器的幅频特性。
二、实验原理图7 —1四种滤波电路的幅频特性示意图由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器,其功能是让一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。
可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面,但因受运算放大器频带限制,这类滤波器主要用于低频范围。
根据对频率范围的选择不同,可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器,它们的幅频特性如图7 —1所示。
具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的,只能用实际的幅频特性去逼近理想的。
一般来说,滤波器的幅频特性越好,其相频特性越差,反之亦然。
滤波器的阶数越高,幅频特性(a)低通(C)带通(d)带阻衰减的速率越快,但RC网络的节数越多,元件参数计算越繁琐,电路调试越困难。
任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。
1、低通滤波器(LPF)低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。
如图7 —2 (a)所示,为典型的二阶有源低通滤波器。
它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成,其中第一级电容C接至输出端,弓I入适量的正反馈,以改善幅频特性。
图7—2 ( b)为二阶低通滤波器幅频特性曲线。
图7 —2二阶低通滤波器电路性能参数R fA UP=^- 二阶低通滤波器的通带增益R I截止频率,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。
状。
2、高通滤波器(HPF与低通滤波器相反,高通滤波器用来通过高频信号,衰减或抑制低频信号。
只要将图7—2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换,即可变成二阶有源高通滤波器,如图7 —3(a)所示。
高通滤波器性能与低通滤波器相反,其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系,仿照LPH分析方法,不难求得HPF的幅频特性。
课程设计任务书(指导教师填写)课程设计名称 电子线路课程设计 学生姓名 专业班级 设计题目 RC 有源滤波器设计一、课程设计的任务和目的任务:设计一个RC 有源滤波器。
目的:培养学生综合运用所学知识的能力,综合设计能力,培养动手能力及分析问题、解决问题的能力。
二、设计内容、技术条件和要求性能指标要求:1、设计一个二阶Butterworth Sallen-key 型低通滤波器,要求截止频率KHz f c 2=,增益2=V A ;2、设计一个二阶Butterworth MFB 型高通滤波器,要求截止频率Hz f c 100=,增益5=V A ; 3、设计一个二阶Butterworth 带通滤波器,要求中心频率KHz f 10=,增益2=V A ,品质因数10=Q 。
实验仪器设备:低频信号发生器、实验箱、元器件及工具、双踪示波器、直流稳压电源。
设计内容与要求:1、认真查阅相关文献,写出设计预习报告;2、根据已知条件及性能指标要求,确定电路及元器件参数(以上两步要求在实验前完成);3、对设计电路进行计算机仿真,验证设计是否正确4、在实验箱面包板上安装电路,并进行调试,使其满足设计要求。
5、所有实验完成后,写出课程设计报告。
三、时间进度安排第1周 周一上午布置设计任务,讲解设计要求,安排答疑、实验时间;周三下午课程设计答疑,其他时间学生查资料,做初步理论设计;第2周 周一交设计初稿,由指导教师审查;周三、四学生进实验室做仿真实验,并根据实验情况修正设计图;周四、五做插接线实验,最后根据实验情况总结、撰写设计说明书。
四、主要参考文献1、电子线路(线性部分)第四版谢嘉奎2、各种版本模拟电子技术教程 3. 集成电路手册指导教师签字:2010 年12 月22 日。
姓名班级学号实验日期节次教师签字成绩实验名称 RC有源滤波器的研究1.实验目的(1)熟悉由集成运放和阻容元件组成的有源滤波器的原理。
(2)学习RC有源滤波器的设计,学会测量有源滤波器幅频特性。
2.总体设计方案或技术路线由阻容元件和运算放大器组成的滤波电路称为RC有源滤波器。
由于集成运放有限带宽的限制,目前RC有源滤波器的工作频率较低,一般不超过1MHz。
(1)低通滤波器低通滤波器用来通过低频信号,衰减或抑制高频信号。
二阶有源低通滤波器由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成,第一级电容接至输出端,引入适量正反馈,以改善幅频特性。
设计电路图如下所示,改变输入信号频率,记录输出信号幅值及放大倍数,先测量出一组幅频特性曲线,再改变电阻R f的值,记录数据,得到新的幅频特性曲线,再进行对比。
(2)高通滤波器高通滤波器用来通过高频信号,衰减或抑制低频信号。
只要将低通滤波器中起滤波作用的电阻、电容互换,即可变成二阶有源高通滤波器。
高通滤波器的性能与低通滤波器相反,其频率响应和低通滤波器是“镜像”的关系。
设计电路图如下所示,改变输入信号频率,记录输出信号幅值及放大倍数,先测量出一组幅频特性曲线,改变电阻R f的值,记录数据,得到新的幅频特性曲线,再进行对比。
本实验主要研究低通滤波器和高通滤波器的幅频特性,截止频率和品质因数,以及改变电路参数对滤波效果的影响。
3.实验电路图(1)低通滤波器设计电路图(由Multisim7绘制)(2)高通滤波器设计电路图4. 仪器设备名称、型号实验电路板双踪示波器双路直流稳压电源函数信号发生器数字万用表导线若干5.理论分析或仿真分析结果(1)低通滤波器R4=10kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示当R4=12kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示当R4=15kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示(2)高通滤波器R4=10kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示用光标测量法测得截止频率为1.2514kHzR4=12kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示R4=15kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示6.详细实验步骤及实验结果数据记录(包括各仪器、仪表量程及内阻的记录)(1)检查导线通断,仪器仪表是否正常。
有源rc滤波器原理有源RC滤波器指的是由电压放大器和电容与电阻组成的滤波电路。
它通过电容的充放电过程和电压放大器的放大作用,实现对输入信号进行滤波的功能。
有源RC滤波器可以分为低通滤波器和高通滤波器两种类型。
首先我们来看低通滤波器的原理。
低通滤波器是一种传递低频信号而对高频信号进行衰减的滤波器。
它的电路结构由一个电容和一个电阻与一个电压放大器组成。
电容与电阻串联,形成RC电路,电容与接地之间的电压为输入信号,电容与电阻之间的电压为输出信号。
当输入信号的频率较低时,电容的阻抗较大,相对于电阻来说,电容的电压占主导地位,输入信号几乎全部通过电容进入到输出端,实现了低频信号的传递。
当输入信号的频率逐渐增大时,电容的阻抗逐渐减小,此时电阻的作用逐渐显现出来。
电阻的阻值决定了电容和电阻之间的电压分配比例,当电容与电阻之间的电压越大,输出信号的幅度就越大。
而电容和电阻之间的电压随着频率的增大而减小,从而使得输出信号的幅度也随之减小。
因此,低通滤波器可以实现对高频信号的抑制,只传递低频信号。
其传递函数为:H(jω) = 1/(1+jωRC)。
其中H(jω)表示输出信号与输入信号之间的幅度比,j是单位虚数,ω为频率,R为电阻的阻值,C为电容的电容值。
由传递函数可以看出,低通滤波器的截止频率为1/(2πRC)。
接下来我们来看高通滤波器的原理。
高通滤波器是一种传递高频信号而对低频信号进行衰减的滤波器。
它的电路结构由一个电容和一个电阻与一个电压放大器组成。
电容与电阻并联,形成RC电路,电容与电阻共享输入信号,电压放大器将输入信号放大后,输出信号经过电容的极性反转,形成高通滤波效果。
高通滤波器的工作原理与低通滤波器相反。
当输入信号的频率较低时,电容的阻抗较高,输入信号几乎全部通过电阻流向地,输出信号的幅度几乎为零,实现了对低频信号的抑制。
当输入信号的频率逐渐增大时,电容的阻抗逐渐减小。
此时电阻的作用逐渐减弱,电压放大器将输入信号放大后,输出信号经过电容的极性反转,从而实现对高频信号的传递。
RC有源滤波器的设计总结[5篇范例]第一篇:RC有源滤波器的设计总结总结与体会本次模电课程设计基本上完成了,虽然很累,但我们感到很满足。
刚开始的时候,由于我们当时对于滤波电路的理解不是非常的深入,这使得我们在一开始就遇到了一个比较棘手的问题,后来我们终于跳出了思维的枷锁,完全摆脱了这个问题,后来我们也遇到了其他的一些问题,但经过我们长时间的努力,并在老师的指导下终于算是比较圆满的完成了本次模电课程设计。
通过本次模电课程设计,我们进一步掌握了有源滤波器,示波器在测试时的主要事项及操作规范,与此同时,了解了滤波器的参数估算方法,掌握了其电路的调试方法,并加深了有源滤波器在实际生活中的实际应用。
以multisim为平台分析有源滤波器的电路,使用虚拟示波器等虚拟原件,采用交流分析方法和参数扫描分析方法仿真分析了有源滤波器电路的工作特性,及各元件参数对输入输出特性的影响,并演示了multisim中虚拟仪器及各种分析方法的使用。
经过本次的课程设计,我们解决了许多在实际过程中的问题,同时也学到了很多。
我们不仅弄懂了很多以前不太了解的东西,还让我们体会到人与人之间的沟通,团队成员的协作的乐趣,团队需要个人,个人也离不开团队,必须发扬团队协作的精神。
除此之外,它让我们明白只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合,从理论中得到结论,才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
参考文献1.《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社。
2.《模拟电子技术基础》康华光高等教育出版社。
3.《模拟电子技术》胡宴如主编高等教育出版社。
第二篇:开题报告-并联型电力有源滤波器设计开题报告电气工程及自动化并联型电力有源滤波器设计一、综述本课题国内外研究动态,说明选题的依据和意义随着电力电子技术的迅速发展,越来越多的电力电子装置在配电系统中得到了广泛的应用。
这些电力电子设备的效率日趋提高,并以其灵活可控的特性逐渐成为功率变换和调节的一个不可或缺的重要环节。
有源rc滤波器原理
有源RC滤波器是一种基于运算放大器的滤波电路,由电容和
电阻组成。
它的原理是利用运算放大器的放大功能和反馈特性,将输入信号与反馈信号相结合,通过调整电容和电阻的数值,实现对输入信号频率特性的调节。
在有源RC滤波器中,运算放大器作为基本放大器,将电容和
电阻连接在其反馈回路中,形成一个低通滤波器或高通滤波器。
其中,低通滤波器是指信号频率低于截止频率时通过而高于截止频率时被衰减的滤波器;高通滤波器则是指信号频率高于截止频率时通过而低于截止频率时被衰减的滤波器。
当输入信号进入运算放大器时,由于放大器的放大特性,输出信号也相应放大。
同时,根据电容和电阻的组合,滤波器会对输入信号进行滤波处理。
对于低通滤波器而言,输入信号的高频分量会被衰减或滤除,而低频分量则会通过。
反之,对于高通滤波器而言,输入信号的低频分量会被衰减或滤除,而高频分量则会通过。
通过调整电容和电阻的数值,可以改变滤波器的截止频率。
较大的电容或较小的电阻将会得到较低的截止频率,而较小的电容或较大的电阻将会得到较高的截止频率。
这样,有源RC滤
波器可以根据需要,实现对不同频率范围的信号进行滤波和处理。
总之,有源RC滤波器利用运算放大器的放大和反馈特性,通
过调整电容和电阻的数值,实现对输入信号频率特性的调节,从而实现滤波和处理的功能。
《RC有源滤波器快速设计》实验报告小组成员:黄文成习灿方丹指导老师: 汤依婷湖北经济学院电子工程系2013.03摘要: 由RC 元件与运算放大器组成的滤波器称为RC 有源滤波器,其功能是让一定范围内的频率通过,抑制或者急剧衰减频率范围以外的信号。
因受到运算放大器带宽的限制,这类滤波器仅适用于低频范围。
根据频率范围可分为低通、高通、带通和带阻四种滤波器。
滤波器的用处非常大,它可以处理信号,虑去无用的干扰信号,使信号满足自己的需要。
如许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器,以选出各个不同频段的信号,在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。
目前,滤波器被广泛用于通信、广播、雷达以及许多仪器设备中。
设计性能指示要求方案(一)一级二阶低通与一级二阶高通级联。
截至频率 Hz f H 3000=,Hz f L 300=, 增益10=V A 阻带衰减速度为-40dB/10倍频方案(二)一级二阶带通滤波器。
中心频率KHz f 10=,增益2=V A ,品质因素10=Q一、方案设计方案(一)实现二阶带通滤波器的电路有压控电压源(VCVS )电路和无限增益多路反馈(MFB)电路。
如果要求带宽BW 的范围很宽,可采用一级二阶高通滤波器与一级二阶低通滤波器相级联,但其阻带的衰减率为-40db/10倍频程,滤波器的带宽由两个滤波器的截止频率所决定。
所以我们选用一个截止频率为300Hz ,增益为2的二阶低通滤波器和一个截止频率为3KHz ,增益为5的二阶高通滤波器。
方案(二)二阶带通滤波器 的性能参数有中心角频率0w 或0f ,0w 对应的增益为v A ,带宽L H f f BW -=,品质因素BW f Q 0=,Q 值越高,滤波器选择性越好,衰减速度越高,但Q 值也不能太高,否则会使电路难以调整,故取10=Q 。
二、电路设计设计步骤:1.根据截至频率c f 选定一个电容C 的标称值(单位uF ),使其满足Cf K c 100= (101≤≤K )2.设计表中查出与v A 对应的电容值及1=K 时的电阻值,再将这些电阻值乘以参数K ,得到电阻的设计值。
明达职业技术学院实训(实践)报告2010-2011学年度第二学期信息工程系应用电子技术专业班级 09应用电子技术学号 45093105课题名称RC有源滤波器的设计学生姓名刘惠指导教师卜令涛2011年6月24日明达职业技术学院课程设计(论文)任务书信息工程系应用电子专业班级09应电姓名刘惠学号45093105[摘要]:本文介绍了由RC与运算放大器组成的源滤波器其功能是让一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号,因受运算放大器带宽限制,这类滤波器仅适用于低频范围。
1、有源滤波电路实际上是利用无源滤波网络再加放大器把滤波网络与负载隔离。
滤波网络一般为RC网络。
按RC网络的结构可分为低通,高通,带通与带阻四种不同的滤波特性。
应用时应根据有用信号、无用信号、和干扰信息所占频段来合理选择滤波器的类型。
2、有源滤波电路通常用传递函数来分析,主要性能指标有通带电压放大倍数A up、通带截止频率f p、带宽B和品质因素Q等。
3、有源滤波电路一般均引入负反馈,集成运放工作为线性区,分析方法基本同运算电路。
在有源滤波电路中常常引入适当的正反馈,主要目的是补偿不会产生f o附近的频带,只要参数选择适当,一般[关键词]:RC 运算放大器低通滤波器自激振荡。
一、方案选择与论证1、设计要求1)设计RC低通滤波器电路,计算电路元件参数,拟定测试方案和步骤;2)测量并调整静态工作点;3)测量技术指标参数;4)测量有源滤波器的幅频特性;5)写成设计实验报告。
2、课题主要内容设计制作一个截止频率fH =200HZ,AV=2,Q=10,衰减速率为-40DB/十倍频程的低通滤波器。
3、课题研究思路、方法和要求利用集成运放与RC元件组成有源滤波电路。
要求:截止频率fH =200HZ AV=2,Q=10,衰减速率为-40DB/十倍频程的低通滤波器。
4、方案选择滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。
一个理想的滤波器应在要求的频通内具有均匀而稳定的增益,而在通带以外则具有无穷大的衰减。
RC有源滤波器设计有源滤波器是一种利用放大器来增强滤波性能的滤波器。
在有源滤波器中,放大器起着放大和调整信号的作用,从而增加滤波器的增益和频率响应的可调性。
有源滤波器通常由三个基本部分组成:输入网络、放大器和输出网络。
输入网络用于调整输入信号的阻抗和频率响应,放大器用于放大输入信号,输出网络用于进一步调整信号的阻抗和频率响应。
通过合理设计这三个部分的参数,可以实现不同类型的滤波器功能。
有源滤波器有许多种类,包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
设计有源滤波器的关键是选择合适的放大器类型、电路拓扑和参数,以满足所需的滤波特性。
在设计有源滤波器时,首先需要确定滤波器的频率响应。
这可以通过在频域中绘制出滤波器的理想传递函数来实现。
然后,根据所选择的放大器类型和电路拓扑,选择适当的放大器参数。
可以通过计算或仿真来确定这些参数。
接下来,需要根据设计要求选择合适的电阻、电容和电感元件值。
根据放大器和电路拓扑的特性,合理选择这些元件的数值,以实现所需的频率响应和滤波特性。
在设计有源滤波器时,还需要考虑放大器的增益和稳定性。
增益可以通过调整放大器的放大倍数来实现,而稳定性可以通过添加合适的反馈回路和补偿电路来保证。
这可以提高滤波器的性能和可靠性。
最后,在设计完成后,需要通过实验或仿真来验证滤波器的性能。
可以使用信号发生器和示波器来提供输入信号和测量输出信号的频率响应和增益。
根据实验结果,可以进行必要的调整和优化,以满足设计要求。
总之,有源滤波器设计是一个复杂的过程,需要综合考虑放大器类型、电路拓扑、元件数值和电路参数等因素。
通过合理选择和调整这些参数,可以实现所需的滤波特性和性能。
设计者需要具备一定的电路理论知识和实践经验,以确保设计的正确性和可靠性。
实验三 有源无源滤波器一、实验目的1.熟悉滤波器的构成及其特性;2.学会测量滤波器幅频特性的方法。
二、实验原理说明滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制(或大为衰减)无用频率信号的电子装置。
工程上常用它作信号处理、数据传送和抑制干扰等。
这里主要是讨论模拟滤波器。
以往这种滤波电路主要采用无源元件R 、L 和C 组成,60年代以来,集成运放获得了迅速发展,由它和R 、C 组成的有源滤波电路,具有不用电感、体积小、重量轻等优点。
此外,由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出阻抗又低,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。
但是,集成运放的带宽有限,所以目前有源滤波电路工作频率难以做得很高,这是它的不足之处。
基本概念及初步定义 1.初步定义滤波电路的一般结构如图3—1所示。
图中的)(1t v 表示输入信号,)(0t v 为输出信号。
假设滤波器是一个线形时不变网络,则在复频域内有 A (s )=Vo(s)/Vi(s)式中A (s )是滤波电路的电压传递函数,一般为复数。
对于实际频率来说(s=j ω)则有A (j ω)=│A (j ω)│ej φ(ω) 3-1这里│A (j ω)│为传递函数的模,φ(ω)为其相位角。
此外,在滤波电路中关心的另一个量是时延τ(ω),它定义为τ(ω)= -3-2滤波电路V i (t)V 0(t)图3-1 滤波电路的一般结构图)()(s d d ωωϕ通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性,欲使信号通过滤波器的失真很小,则相位和时延响应亦需考虑。
当相位响应φ(ω)作线性变化,即时延响应τ(ω)为常数时,输出信号才可能避免失真。
2.滤波电路的分类对于幅频响应,通常把能够通过的信号频率范围定义为通带,而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带,通带和阻带的界限频率称为截止频率。
理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应,而在阻带内应具有无限大的幅度衰减(│A (j ω)│=0)。
..实验三 滤波器电路幅频特性的仿真测量一、实验目的1. 掌握RC 滤波器电路幅频特性的测量方法。
2. 了解滤波器电路参数对幅频特性的影响。
3. 熟悉无源与有源、低阶与高阶RC 滤波器电路幅频特性的区别。
二、实验原理与说明 1. 系统的频率特性连续LTI 系统的频率特性又称频率响应特性,是指系统在正弦信号激励下稳态响应随激励信号频率的变化而变化的情况,又称系统函数)(ωH 。
对于一个零状态的线性系统,如图3-1所示。
)(ωH )(ωX )(ωY图 3-1 LTI 系统框图其系统函数)(ωH 定义为)()()(ωωωX Y H =式中)(ωX 为系统激励信号的傅里叶变换,)(ωY 为系统在零状态条件下输出响应信号的傅里叶变换。
系统函数)(ωH ,反映了系统内在的固有的特性,它取决于系统自身的结构及组成系统元器件的参数,与外部激励无关,是描述系统特性的一个重要参数。
)(ωH 是ω的复函数,可以表示为)()()(ωϕωωj e H H =其中:模)(ωH 随ω变化的规律称为系统的幅频特性;辐角)(ωϕ随ω变化的规律称为系统的相频特性。
频率特性不仅可用函数表达式表示,还可用随频率f (或ω)变化的曲线来描述,如图3-2所示。
13(Gain) 幅频特性(Phase) 相频特性图 3-2 一阶低通滤波器线性坐标频率特性当频率特性曲线采用对数坐标描述时,又称为波特图,如图3-3所示。
(Gain) 幅频特性(Phase) 相频特性图 3-3 一阶低通滤波器对数坐标频率特性2. 一阶RC 无源低通滤波电路的幅频特性一阶RC 无源低通滤波电路如图3-4所示。
其系统函数为..)()()(1111)()()(122ωϕωωωωωωω∠=-∠+=+==-H RC tg RC RCRC j RC V V H i o 式中22)(11)(RC RCH +=ωω称为幅频特性,RC tg ωωϕ1)(--=称为相频特性。
频率特性曲线如图3-2所示。
实验3.11 有源滤波器一、实验目的(1)了解滤波器的性能特点。
(2)掌握滤波器的调试及有关参数的测量方法。
二、实验设备及材料双踪示波器、万用表、毫伏表、直流稳压电源、函数信号发生器、实验电路板、面包板、运算放大器及电阻、电容等元件。
三、实验原理滤波器是一种能让一定频率或一定频率围的信号通过,同时又能阻止其他频率的信号通过的电路。
由有源器件(晶体管或集成运放)和电阻、电容构成的滤波器称为RC有源滤波器。
根据滤波器所能通过信号的频率围或阻止信号频率围的不同,滤波器可分为低通、高通、带通与带阻等4种滤波器。
按性能滤波器分为一阶、二阶和高阶滤波器。
阶数越高,其幅频特性越接近于理想特性,滤波器的性能就越好。
1、低通滤波器(LPF)低通滤波器是一种用来传输低频段信号,抑制高频段信号的电路。
当信号的频率高于某一特定的截止频率f c时,通过该电路的信号会被衰减(或被阻止),而低于f c的信号则能够畅通无阻地通过该滤波器。
能够通过的信号频率围定义为通带;阻止信号通过的频率围定义为阻带,通带与阻带之间的分界点就是截止频率f c。
A up为通带的电压放大倍数,当输入信号的频率由小到大增加到使滤波器的电压放大倍数等于0.707A up时,所对应的频率称为截止频率f c。
(1)一阶低通滤波器图3.11.1是一种简单的一阶低通滤波器,它由同相电压放大器和RC低通电路组成。
对于频率低于f c的输入信号u i,电容器的容抗X C很大,输入信号的电压几乎都降落在电容C上,因此u+ 增大,输出电压增大。
如果输入信号的频率增加到高于f c,则电容器的容抗X C减小,输入信号的大部分电压降落在电阻上,结果电容上的压降减小,因此u+减小,输出电压减小。
图3.11.1 一阶低通滤波器该电路的传递函数为:upi o u •+11=)()(=)(A sCR s U s U s A (3-11-1)其中,34up +1=R RA ,在式(3-11-1)的分母中,由于s 为一次幂,故称为一阶低通滤波器。
实验七集成运算放大器的基本应用(H)—有源滤波器一、实验目的1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。
2、学会测量有源滤波器的幅频特性。
二、实验原理图7 —1四种滤波电路的幅频特性示意图由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器,其功能是让一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。
可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面,但因受运算放大器频带限制,这类滤波器主要用于低频范围。
根据对频率范围的选择不同,可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器,它们的幅频特性如图7 —1所示。
具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的,只能用实际的幅频特性去逼近理想的。
一般来说,滤波器的幅频特性越好,其相频特性越差,反之亦然。
滤波器的阶数越高,幅频特性(a)低通(C)带通(d)带阻衰减的速率越快,但RC网络的节数越多,元件参数计算越繁琐,电路调试越困难。
任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。
1、低通滤波器(LPF)低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。
如图7 —2 (a)所示,为典型的二阶有源低通滤波器。
它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成,其中第一级电容C接至输出端,弓I入适量的正反馈,以改善幅频特性。
图7—2 ( b)为二阶低通滤波器幅频特性曲线。
图7 —2二阶低通滤波器电路性能参数R fA UP=^- 二阶低通滤波器的通带增益R I截止频率,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。
状。
2、高通滤波器(HPF与低通滤波器相反,高通滤波器用来通过高频信号,衰减或抑制低频信号。
只要将图7—2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换,即可变成二阶有源高通滤波器,如图7 —3(a)所示。
高通滤波器性能与低通滤波器相反,其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系,仿照LPH分析方法,不难求得HPF的幅频特性。
实验三滤波器实验一,实验目的1,通过实验了解滤波器的工作原理。
2,通过实验学习有源滤波器的特点。
3,学习滤波器在工程技术中的应用。
二,实验仪器及器材1,通用线路接插板2,电容、电阻、电位器、运算放大器等电子元器件3,晶体管毫伏表4,低频信号发生器5,直流稳压电源三,实验步骤及实验结果1,计算上截止频率为440Hz的RC低通滤波器的R、C数值。
实验电路如上图,其中电容,根据上截止频率点处解得:。
2,将选好的元件在线路插板上按上图接插成低通滤波器,测出其幅频特性。
采用两种方法测量,一种是通过示波器测量不同频率的响应幅值,从而得到幅频特性曲线。
另一种是直接测量幅频特性伯德图。
实验中直接测得幅频特性曲线:手动调整输入信号频率,测得输出放大倍率如下通过示波器测量频率为0~2k时的幅值响应数据如下:f/Hz 10 50 100 150 200 250 300幅值/mv 1.009 998.00 967.80 930.32 881.40 829.70 779.60350 400 450 500 600 800 1000 1500 2000 726.20 678.91 635.02 596.54 527.31 422.11 350.50 245.29 187.41得到的幅频特性曲线如下:可以看出通过测量各频率放大倍率绘制的幅频曲线图和实验中仪器绘制的波特图基本一致,截止频率440Hz左右。
3,在此低通滤波器的输出端并联一个1kΩ的负载电阻,再测其幅频特性,并与无负载情况下的幅频特性相比较。
分析可得上截止频率满足:实验中36kΩ,,代入上式求得:实验测出幅频特性曲线如下:分析数据:Freq (Hz) Gain (dB) Phase (deg)100.000 -30.235 -0.43814677.993 -33.457 -51.45117782.794 -34.382 -57.910从初始下降-3dB即为截止频率,可看出与理论计算基本相符。
实验三 RC 有源滤波器
一、 实验目的
1. 深刻理解 RC 有源滤波器的工作原理。
2. 掌握有源滤波器的测量和调试技术。
二、实验仪器、设备及元件
1. 双踪示波器 1台
2. 晶体管毫伏表
1台 3. 低频信号发生器 1台
4. 直流稳压电源 1台
5. 万用表 1块
6.uA741 一块
7.电容、电阻 若干
三、实验原理
滤波器是一种能使有用频率的信号通过而同时能对无用频率的信号进行抑制或衰减的电子装置。
在工程上,滤波器常被用在信号的处理、数据的传送和干扰的抑制等方面。
滤波器按照组成的元件,可分为有源滤波器和无源滤波器两大类。
凡是只由电阻、电容、电感等无源元件组成的滤波器称为无源滤波器。
凡是由放大器等有源元件和无源元件组成的滤波器称为有源滤波器。
由运算放大器和电阻、电容(不含电感)组成的滤波器称为 RC 有源滤波器。
本实验只研究 RC 无源滤波器和 RC 有源滤波器的特性以及它们之间的关系。
图 1.19.1 一阶RC 低通滤波器及其幅频特性
RC 有源滤波器按照它所实现的传递函数的次数分,可分为一阶、二阶和高阶RC 有源滤波器。
从电路结构上看,一阶RC 有源滤波器含有一个电阻和一个电容。
二阶RC 有源滤波器含有二个电阻和二个电容。
一般的高阶RC 有源滤波器可以由一阶和二阶的滤波器通过级联来实现。
所以本实验只研究一阶和二阶滤波器。
重点研究二阶RC 有源滤波器。
滤波器按照所允许通过的信号的频率范围可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。
其中,低通滤波器只允许低于某一频率的信号通过,而不允许高于该频率的信号通过。
高通滤波器只允许高于某一频率的信号通过而不允许低于该频率的信号通过。
带通滤波器只允许某一频率范围内的信号通过而不允许该频率范围以外的信号通过。
带阻滤波器不允许(阻止)某一频率范围(频带)内的信号通过而只允许该频率范围以外的信号通过。
本实验重点研究RC 有源低通滤波器和带通滤波器。
1.一阶低通滤波器
图 1.19.1 (a)中虚线框内的电路是一个RC 组成的一阶低通滤波器。
它的传递函数为
(1.19.1)其中,ω0=1 / RC。
为了提高增益并提高带负载能力,可以将上述滤波电路接到由运算放大器组成的放大电路中,从而组成有源滤波器。
图 1.19.1 (a) 就是将该电路接到运算放大器的同相输入端所构成的一阶RC 有源滤波器电路。
对节点 A 列电压方程,可求得该电路的传递函数为
(1.19.2)
式中,A0=1+(RF / R1) 是放大器的增益。
图 1.19.1 (b) 是该电路的对数幅频特性曲线。
由特性曲线可见,当工作频率 ω=ω0 时,增益下降 3 分贝。
我们把与 ω0 对应的频率称为滤波器的截止频率。
并把f < f 0 的频率范围称为滤波器的通带,把 f>f0 的频率范围称为滤波器阻带。
也就是认为凡是频率低于f0 的信号都能顺利地通过该滤波器,而频率高于 f0 的信号都被该滤波器衰减。
从图 1.19.1 (b) 可见,该电路对于f> f0 的信号的衰减速度为频率每变化 10 倍增益下降 20 分贝,即 -20dB /10 倍频程。
一阶滤波电路的缺点是滤波效果不好。
在理想情况下,当 f > f 0 时,滤波电路的输出应该为零。
而实际上,该电路对于 f > f 0 的信号,只以 20dB /10 倍频程的速度衰减。
2.二阶低通滤波器
二阶低通波器比一阶滤波器具有更好的滤波效果。
图 1.19.2 (a) 是一个二阶 RC 低通滤波器。
它实际上是在图 1.19.1 (a) 所示的一阶低通滤波器的基础上增加了一级 RC 电路而组成的。
在图 1.19.2 ( a )中,令两级 RC 电路的电阻值相等、电容值相等,并令RF = R1 (A0 - 1)。
其中,A0 = (1 + RF / R1 ) 为通频带内的电压放大倍数,分别对电路的节点 A 和节点 B 列写节点电压方程为:
图 1.19.2 .二阶RC 低通滤波器及其幅频特性
(1.19.3)
解上述方程,可求得该电路的电压传输函数为:
(1.19.4)
其幅频特性曲线如图 1.19.2 (b) 所示。
由图可见,在阻带内当频率每增大10 倍时,电路的增益下降40 分贝。
比一阶滤波器的滤波效果明显提高了。
该电路的缺点是,当频率ω=ω0时,电路的增益下降为-9.5 dB。
为了克服该电路在截止频率ω0附近增益下降过多的缺点,通常是将第一级RC 电路的电容C的接地端改接到运算放大器的输出端,如图 1.19.2 (a) 中虚线部分所示。
这实际上是通过电容C在ω0附近引入了部分正反馈而对该频率范围内的电路增益进行了补偿。
我们将这种电路称为改进的二阶低通滤波电路。
采取这种措施以后,电路的幅频特性可能会在ω=ω0处出现峰值。
如图1.19.2 (b) 中点划线所示。
峰值的大小与电路的Q值有关。
改进的二阶低通滤电路的节点 A 和节点B 的电压方程为:
(1.19.5)
由此求得该电路的电压传输函数为:
3.二阶高通滤波器
图 1.19.3 (a) 是一个二阶高通滤波器。
图中虚线部分是一个无源二阶高通滤波电路。
为了提高它的滤波性能和带负载的能力,将该无源网络接入由运放组成的放大电路中,组成二阶有源 RC 高通滤波器。
采用与图 1.18.2 所示低通滤波电路相同的分析方法,可得图 1.19.3 (a) 所示高通滤波电路的传递函数为:
其中ω0= 1 / RC,Q = 1 /(3-A0),A0 = 1 +RF / R1。
该电路的幅频特性如图 1.19.3(b) 所示。
图 1.19.3
二阶高通滤波器及其幅频特性
(1.19.6)
(1.19.7)
图1.19.4 二阶带通滤波器及其幅频特性
4. 二阶带通滤波器
典型的二阶带通滤波电路及其幅频特性曲线如图 1.19.4 所示。
它的传递函数为
(1.19.8)
其中带通滤波器的中心角频率ω0、电路的品质因数Q和电路的增益A0分别为(取C1=C2=C):
(1.19.9)
(1.19.10)
(1.19.11)
带通滤波电路的3dB 带宽可表示为:
(1.19.12)带通滤波器的中心角频率ω0、品质因数Q和带宽B之间的关系为:
(1.19.13)
在带通滤波器中,电路的品质因数Q值具有特殊的意义,它是衡量这个电路选择性的重要参数。
在实验中,可以通过测出带通滤器的中心角频率ω0(最高增益所对应的角频率)和3dB 带宽B(电路的增益由最大值下降3dB 所对应的角频率fH和fL之差),从而由式(1.19.13) 求出。
5. 二阶带阻滤波器
二阶带阻滤波器传递函数的标准表示式为
从原理上来讲,带阻滤波器可以通过“
带通相减”的方法来实现。
用数学式子来表示为:
1-带通 = 带阻
在式 (1.19.8) 所示的带通滤波函数中,若令 A0=1,则由式 (1.19.15) 可得:
可见,通过“带通相减”的方法确实能够实现一个带阻滤波器。
采用这种实现方法并利用图 1.19.4 (a) 结构的带通电路实现的带阻滤波电路如图 1.19.5 所示。
注意:上图中为了使带通电路的 A0 = 1,电阻的取值应满足R1 =R2 = R3 的条件。
四、实验内容及步骤
(一) 低通滤波器实验
1. 按照图 1.19.1 (a) 所示电路 ,在面包板上插接一阶 RC 低通滤波器。
2. 用逐点法测量电路的幅频特性。
在中心频率f0 附近各测 10 个点。
以表格的形式记录测量结果。
并在半对数坐标纸上绘出其幅频特性曲线。
3. 按照图 1.19.2 (a) 实线所示电路, 在面包板上插接二阶 RC 低通滤波器。
(1.19.14)
(1.19.15) (1.19.16)
图1.19.5 二阶带阻滤波器
4. 用逐点法测量电路的幅频特性。
按照第2 步的要求进行测量,在同一表格中进行记录,并在同一坐标中绘出如图 1.19.2 (b) 所示的幅频特性曲线(根据需要可多测几个点)。
5. 将实验结果与理论进行比较。
(二) 带通滤波器实验
1. 按照图1.19.4 (a) 所示电路,在面包板上插接二阶RC 带通滤波电路。
2. 用逐点法测量电路的幅频特性曲线。
在中心频率附近各测15 个点。
注意,在曲线变化剧烈部分应多测几个点,并必须找到3dB 频率fH和fL。
以表格的形式记录测量结果,在半对数坐标纸上绘出幅频特性曲线。
3. 根据测量结果,找出该电路的f0、fH和fL。
确定带宽B。
并根据式(1.19.13) 求出该电路的品质因数Q。
将上述结果与理论值进行比较。
五、实验要求
1. 自己设计表格,整理并在表格中记录有关实验数据。
2. 根据实验数据,绘制有关的特性曲线。
标出主要数据。
3. 将实验结果与理论值进行比较。
分析产生偏差的主要原因并提出调整的措施。