实验四 滤波器设计

1、电子电路实验教学中心 电子电路实验教学中心电子电路实验教学中心信号与系统分析实验信号与系统分析实验电子电路实验教学中心一、相关背景一、相关背景u工程实际中，在对信号进行分析、传输和处理时，常会遇到有用信号迭加了无用的噪声，如何消除或抑制干扰噪声提取有用信号，成为信号传输与处理中的重要问题; 从含有噪声的信号中提取或恢复有用信号的过程就是滤波。实现滤波功能的系统是滤波器；由于理想滤波器均物理不可实现，因此非理想滤波器的设计具有非常大的实际意义。电子电路实验教学中心二、滤波器分类二、滤波器分类按照按照组成器件组成器件的不同分为的不同分为无源滤波器无源滤波器与与有源有源滤波器两种滤波器两种： 无源滤

2、波器无源滤波器: : 由电感由电感L L、电容、电容C C及电阻及电阻R R等无源元件组成等无源元件组成 有源滤波器有源滤波器: : 一般由集成运放与一般由集成运放与RCRC网络构成网络构成电子电路实验教学中心从从功能功能上有源滤波器分为：上有源滤波器分为： 低通滤波器（低通滤波器（LPFLPF）、高通滤波器（）、高通滤波器（HPFHPF）、）、 带通滤波器（带通滤波器（BPFBPF）、带阻滤波器（）、带阻滤波器（BEFBEF）、）、 全通滤波器（全通滤波器（APFAPF）。）。电子电路实验教学中心2022-1-45pppj11 21 1ffARCfAuu空载：ppLpLLpj1 )( 21

3、ffAACRRfRRRAuuu带载：空载时空载时带负载时带负载时无源滤波电路无源滤波电路 负载变化，通带放负载变化，通带放大倍数和截止频率均大倍数和截止频率均变化。变化。电子电路实验教学中心2022-1-42022-1-46 6无源滤波电路的滤波参数随负载变化；无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化。有源滤波电路的滤波参数不随负载变化。有源滤波电路有源滤波电路 用电压跟随器用电压跟随器隔离滤波电路与隔离滤波电路与负载电阻负载电阻电子电路实验教学中心2022-1-47有源低通滤波器(同相输入同相输入) ) 对于对于LPF，频率频率趋于趋于0时的放大倍数即为通带放大倍

4、数。求解传递函数时，时的放大倍数即为通带放大倍数。求解传递函数时，只需将放大倍数中的只需将放大倍数中的 j用用 s 取代即可。取代即可。12p1RRAusRCRRsCRsCRRsUsUsAu11)1 ( 11)1 ()()()(121fio一阶一阶LPF经拉氏变换得传递函数经拉氏变换得传递函数RCf21pppj1ffAAuu频率趋于频率趋于0时的放大时的放大倍数为通带放大倍数倍数为通带放大倍数决定于决定于RC环节环节表明进入高频段表明进入高频段的下降速率为的下降速率为20dB/十倍频十倍频（1 1）一阶电路）一阶电路电子电路实验教学中心2022-1-48（2 2）简单二阶）简单二阶LPFLPF

5、 j3)(11)1 ()(311)1 ()(02012212ffffRRAsRCsRCRRsAuu特征频率 210RCf 分析方法：电路引入了负反馈利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。分析方法：电路引入了负反馈利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。电子电路实验教学中心2022-1-49（3 3）压控电压源二阶压控电压源二阶LPFLPF引入正反馈引入正反馈为使为使 fp=f0，且在，且在f=f0时幅频特性按时幅频特性按40dB/十倍频下降。十倍频下降。 f 0时，时，C1断路，正反馈断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大倍断开，放大倍数为通带放大倍数；数； f ， C2短路，正反馈短

6、路，正反馈不起作用，放大倍数小不起作用，放大倍数小0 ； 因而有可能在因而有可能在f = f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。电子电路实验教学中心2022-1-410压控电压源二阶压控电压源二阶LPFLPF的分析的分析2pp)()(31)()(sRCsRCsAsAsAuuu 列列P、M点的节点电流方程，整理可得：点的节点电流方程，整理可得：0p20p3 j)(1ffAffAAuuu电子电路实验教学中心 1 1、设计任务：设计制作一个二阶压控型、设计任务：设计制作一个二阶压控型有源低通滤

7、波器。有源低通滤波器。 2 2、设计要求：运算放大器直流电源电压、设计要求：运算放大器直流电源电压 正负正负12V12V，截止频率为，截止频率为1KHz1KHz，通带增益，通带增益为为2 2。电子电路实验教学中心 R2 R3 R1 Rf 10K 10K 0.01uF C1 C2 0.01uF Ui UO 2 3 6 7 4 -12V +12V 741 电路的选频特性基本上取决于电路的选频特性基本上取决于RCRC网络，电路还兼网络，电路还兼有同相放大功能，调节有同相放大功能，调节R R1 1、R Rf f即可调节电路增益。即可调节电路增益。电路原理图电路原理图(二阶压控型低通滤波器二阶压控型低通

8、滤波器)电子电路实验教学中心通带电压放大倍数：通带电压放大倍数：通带截止频率：通带截止频率：品质因数：品质因数：11RRAfVP213221CCRRfPvpAQ31电子电路实验教学中心2005-6-42005-6-4四、幅频响应的测试方法四、幅频响应的测试方法 一般采用逐点法一般采用逐点法改变输入信号的频率（保持输入信号幅值改变输入信号的频率（保持输入信号幅值1Vipp1Vipp不不变）变）逐点测量对应于不同频率的输出电压逐点测量对应于不同频率的输出电压( (至少测出至少测出1515到到2020个点个点) )用坐标纸画出幅频特性曲线用坐标纸画出幅频特性曲线 横坐标为频率横坐标为频率 纵坐标为输

9、出电压值纵坐标为输出电压值电子电路实验教学中心测出的数据请填入以下表格：测出的数据请填入以下表格： 表表1 低通滤波器幅频特性数据低通滤波器幅频特性数据UiUi（v v）f fp pf f（HzHz）U UO O（v v）U UM M0.7070.707U UMM电子电路实验教学中心五、实验注意事项五、实验注意事项 为了提高测量精度，为了提高测量精度，在截止频率附近增在截止频率附近增加几个测量点加几个测量点可提高作图精度可提高作图精度 直接找到增益下降到直接找到增益下降到0.7070.707U UMM处，记下处，记下f fp p； 完成表完成表1 1；电子电路实验教学中心 1 2 3 4 8 7 6 5 NC V+ V - 输入