有源濾波器實驗報告

　　一、實驗目的和要求

　　1.掌握有源濾波器的分析和設計方法。

　　2.學習有源濾波器的調試、幅頻特性的測量方法。

　　3.了解濾波器的結構和參數對濾波器性能的影響。

　　4.用EDA 仿真的方法來研究濾波電路，了解元件參數對濾波效果的影響。

　　二、實驗內容和原理

　　1.設計二階有源多重負反饋型低通濾波器，其參數指標： 通帶增益，固有頻率; 計算其品質因數Q 和實際的截止頻率

　　2.;對所設計的有源濾波器進行軟體仿真，分析其參數指標，及其幅頻/相頻特性曲線;

　　3.對步驟2 設計所得的電路參數做適當調整，並重新設計和軟體仿真，觀察參數對品質因數Q 和截止頻率的影響;

　　4. 仿照步驟1/2/3， 設計並仿真二階有源高通、帶通濾波器（指標自定義）。

　　5.實際電路測試

　　6.濾波器主要性能指標

　　1）傳遞函數Av（s）： 反映濾波器增益隨頻率的變化關係，也稱為電路的頻率響應、頻率特性。

　　2）通帶增益AVP： 通頻帶放大倍數，為一個實數。

　　3）固有頻率fc： 也稱自然頻率、特徵頻率，其值由電路元件的參數決定。

　　4）通帶截止頻率fp： 濾波器增益下降到其通帶增益AVP 的0.707 倍時所對應的頻率（也稱- 3dB 頻率、半功率點、上限頻率（ wH、fH ）或下限頻率（ wL、L）。

　　5）品質因數Q： 反映濾波器頻率特性的一項重要指標，不同類型濾波器的定義不同。

　　三、 主要儀器設備

　　模電實驗箱、函數信號發生器、示波器、穩壓源

　　四、操作方法和實驗步驟

　　1）在實驗箱上連接所設計的電路。

　　2）有源濾波器的靜態調零。

　　3）測量濾波器的通帶增益AVP、通帶截止頻率fp。

　　4）測量濾波器的頻率特性。

　　5）依次測試低通濾波器、高通濾波器，再將兩者串聯為帶通濾波器，最後再使用單運放直接連接為帶通濾波器並測試。

　　五、實驗數據記錄與處理

　　1）二階有源多重負反饋型低通濾波器：

　　低通濾波器電路圖

 

　　低通濾波器測試結果表

 

　　低通波特圖

　　2）無限增益多路負反饋二階高通濾波器電路設計圖

　　高通濾波器電路圖

　　高通濾波器測試結果

　　帶通濾波器（級聯）波特圖

　　4）帶通濾波器設計與仿真

　　指標設定： Avp=-1fr= 3kHz BW= 4kHz

　　計算並選擇參數： C= 0.01uF R 1=4k R2= 8k R3=31k

　　指標理論值： Avp=-1 Q= 0.75 fr= 2.99kH BW= 3.98kI z

　　帶通濾波器電路圖

　　性能測試：

　　帶通濾波器仿真結果

 

　　帶通濾波器波特圖

　　六、結果分析

　　從仿真測試數據看，電路設計基本符合設計目標，但與實測數據之間有誤差，低通電路中，主要誤差在於Q 值的測量，測量過程中注意到同一頻率的輸出電壓多次測量結果均不相等，且電壓幅度不大，導致相對誤差會比較大，而Q 值又是比值的形式，所以會有較大誤差。

　　高通電路中主要是放大倍數測量誤差較大，由於在實驗時沒能找到兩個0.47UF的電容，所以其中有一個是通過多個電容串並聯而成的。實驗時忽略了這一問題，沒有測量實際電容大小，而高通電路的放大倍數正是由電容大小決定的，所以這一細節會對電壓放大倍數有較大影響。

　　電路參數對頻率特性的影響：

　　1） 低通： 以圖1電路為基礎進行調節

　　改變Rf 為22k，此時電路頻率特性變化不大，主要影響反饋量，從而改變Avp;

　　從表達式上看，其Q 值電阻R1的0 次項有關，與R2 和Rf的1/2 次項有關，所以可通過大幅度改變R2、Rf或者同時改變來影響Q 值，以下將Rf和R2 同時增大10 倍：

　　然後Q值又分別與C1、C2的1/2 次呈正負相關，fc 與兩者都是負相關，以下分別將C1增大10倍，C2 增大10 倍，以及同時增大10 倍：

　　可以看出，Q 值和fc 受到明顯影響。

　　另外也可以看出，改變參數雖然會影響電路特性，但也恰可以利用這一點合理配置參數，可以獲得特性更好的電路。

　　七、總結

　　此前提及濾波電路一般就只會想到簡單的無源濾波網絡，而不會想到結合運放設計有源濾波電路。而且通過這次實驗也突然有點明白了之前放大電路實驗中測試帶寬的意義。感覺這兩學期學的知識正在一點點的串到一起。

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