低通滤波器幅频特性曲线
常用滤波器的频率特性分析
常用滤波器的频率特性分析摘要：滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。
在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。
滤波器对实现电磁兼容性是很重要的。
本文所述内容主要有滤波器概述及原理、种类等。
尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。
故对常见滤波器中低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器，EMI滤波器，从频率出发，进行特性分析。
一、引言滤波器，是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。
对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
二、原理滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。
滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。
电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。
最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。
所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。
基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。
在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及π型两种。
就L型单节滤波器而言，其电感抗XL与电容抗XC，对任一频率为一常数，其关系为XL·XC=K2故L型滤波器又称为K常数滤波器。
倘若一滤波器的构成部分，较K常数型具有较尖锐的截止频率（即对频率范围选择性强），而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者，称为m常数滤波器。
所谓截止频率，亦即与滤波器有尖锐谐振的频率。
通带与带阻滤波器都是m常数滤波器，m为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的函数。
实验五数字滤波器幅频特性的测试
实验三 低通、高通滤波器的幅频特性一、实验目的㈠ 进一步熟悉DSP 实验系统的结构、组成及使用方法。
㈡ 了解数字低通、高通滤波器的特点，学习数字滤波器幅频特性的测量方法。
㈢ 观察数字滤波器频响特性的周期延拓性。
二、实验原理㈠ 用DSP 实验系统实现数字滤波器一个线性时不变离散系统，或者说一个数字系统可以用系统函数来表示：∑∑=-=--=N i ii Ni ii z a zb z H 101)(也可以用差分方程表示: ∑∑==-+-=Ni iN i ii n y a i n x b n y 1)()()(由以上两个公式中,当i a 至少有一个不为0时,表达的是一个IIR 数字滤波器;当i a 全都为0时,表达的是一个FIR 数字滤波器。
FIR 数字滤波器可以看成是IIR 数字滤波器i a 全都为0时的一个特例。
通常,我们把FIR 滤波器的系统函数表示为 H Z h n Zn N n()()==--∑01其差分方程表示为y n h i x n i i N ()()()=-=-∑01例如:已知一个用双线性变换法设计的三阶低通IIR 数字滤波器，采样频率F s =4KHz,其3dB 截止频率为1KHz,它的传递函数2321333121)(----++++=zz z z z H 为了用数字信号处理实验系统实现这个滤波器,我们对上式还需进行处理,将其化成一般表示式232123213333.0116667.05.05.016667.031161212161)(--------++++=++++=z z z z z zz z z H 由上式可知,传递函数的各系数为16667.00=b 5.01=b 5.02=b 16667.03=b 01=a 3333.02-=a 03=a相应的差分方程为)2(3333.0)3(16667.0)2(5.0)1(5.0)(16667.0)3()2()1()3()2()1()()(3213210---+-+-+=-+-+-+-+-+-+=n y n x n x n x n x n y a n y a n y a n x b n x b n x b n x b n y将以上差分方程的计算过程及采样频率Fs 、电路阶数N =3编写成TMS320Cxx 执行程序,输入实验系统,即可实现这个IIR 数字低通滤波器。
各种滤波器及其典型电路
第一章滤波器1.1 滤波器的基本知识1、滤波器的基本特性定义：滤波器是一种通过一定频率的信号而阻止或衰减其他频率信号的部件。
功能：滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。
类型：按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器。
按功能分：低通、高通、带通、带阻、带通。
按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、…高阶。
如图1.1中的a、b、c、d图分别为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器传输函数的幅频特性曲线。
图1.1 几种滤波器传输特性曲线.2、模拟滤波器的传递函数与频率特性（一）模拟滤波器的传递函数模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。
传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。
经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。
这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。
（二）模拟滤波器的频率特性模拟滤波器的传递函数H(s)表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。
若滤波器的输入信号Ui是角频率为w的单位信号，滤波器的输出Uo(jw)=H(jw)表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性函数，简称频率特性。
频率特性H(jw)是一个复函数，其幅值A(w)称为幅频特性，其幅角∮(w)表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相频特性（三）滤波器的主要特性指标1、特征频率：（1）通带截止频f p=wp/(2π)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。
（2）阻带截止频f r=wr/(2π)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。
（3）转折频率f c=wc/(2π)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。
简单二阶有源低通滤波器电路及幅频特性
简单二阶有源低通滤波器电路及幅频特性为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RCo(1)通带增益当f=0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。
它比一阶低通滤波器的滤波效果更好二阶LPF的电路图如图6所示，幅频特性曲线如图7所示。
1-(2)二阶低通有源滤波器传递函数根据图8-2.06可以写出丄“盘斗丄〕俯二一礎通常有，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数臥)—九…(3)通带截止频率将s 换成j 3,令3 0 = 2n f o=1/(RC)可得当f=fp时，上式分母的模="丿厶I VoZ与理想的二阶波特图相比，在超过fO以后，幅频特性以-40 dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。
但在通带截止频率fp -fO之间幅频特性下降的还不够快。
摘要设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路，并利用MultisimIO仿真软件对电路的频率特性、特征参量等进行了仿真分析，仿真结果与理论设计一致，为有源滤波器的电路设计提供了EDA手段和依据。
关键词二阶有源低通滤波器；电路设计自动化；仿真分析；MultisimIO滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。
滤波一般可分为有源滤波和无源滤波，有源滤波可以使幅频特性比较陡峭，而无源滤波设计简单易行，但幅频特性不如有源滤波器，而且体积较大。
从滤波器阶数可分为一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭。
高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤波器级联而成。
采用集成运放构成的RC有源滤波器具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频率可调等特点。
压控电压源型二阶低通滤波电路是有源滤波电路的重要一种，适合作为多级放大器的级联。
本文根据实际要求设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路，采用EDA仿真软件Multisim1O对压控电压源型二阶有源低通滤波电路进行仿真分析、调试，从而实现电路的优化设计。
抽样定理
实验一 抽样定理实验一、实验目的1、了解抽样定理在通信系统中的重要性2、掌握自然抽样及平顶抽样的实现方法3、理解低通采样定理的原理4、理解实际的抽样系统5、理解低通滤波器的幅频特性对抽样信号恢复的影响6、理解低通滤波器的相频特性对抽样信号恢复的影响7、理解平顶抽样产生孔径失真的原理8、理解带通采样定理的原理二、实验内容1、验证低通采样定理原理2、验证低通滤波器幅频特性对抽样信号恢复的影响3、验证低通滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响4、验证带通抽样定理原理5、验证孔径失真的原理三、实验原理抽样定理原理：一个频带限制在（0，H f ）内的时间连续信号()m t ，如果以T ≤H f 21秒的间隔对它进行等间隔抽样，则()m t 将被所得到的抽样值完全确定。
（具体可参考《信号与系统》）我们这样开展抽样定理实验：信号源产生的被抽样信号和抽样脉冲经抽样/保持电路输出抽样信号，抽样信号经过滤波器之后恢复出被抽样信号。
抽样定理实验的原理框图如下：被抽样信号抽样脉冲抽样恢复信号图1抽样定理实验原理框图被抽样信号抽样恢复信号图2实际抽样系统为了让学生能全面观察并理解抽样定理的实质，我们应该对被抽样信号进行精心的安排和考虑。
在传统的抽样定理的实验中，我们用正弦波来作为被抽样信号是有局限性的，特别是相频特性对抽样信号恢复的影响的实验现象不能很好的展现出来，因此，这种方案放弃了。
另一种方案是采用较复杂的信号，但这种信号不便于观察，如图所示：被抽样信号抽样恢复后的信号图3复杂信号抽样恢复前后对比你能分辨图中抽样恢复后信号的失真吗？因此，我们选择了一种不是很复杂，但又包含多种频谱分量的信号：“3KHz 正弦波”+“1KHz 正弦波”，波形及频谱如所示：图1被抽样信号波形及频谱示意图对抽样脉冲信号的考虑大家都知道，理想的抽样脉冲是一个无线窄的冲激信号，这样的信号在现实系统中是不存在的，实际的抽样脉冲信号总是有一定宽度的，很显然，这个脉冲宽度（简称脉宽）对抽样的结果是有影响的，这就是课本上讲的“孔径失真”，用不同的宽度的脉冲信号来抽样所带来的失真程度是不一样的，为了让大家能很好地理解和观察孔径失真现象，我们将抽样脉冲信号设计为脉宽可调的信号，在实验中大家可以一边调节脉冲宽度，一边从频域和时域两个方面来观察孔径失真现象。
低通滤波系统的频率特性分析
实验一低通滤波系统的频率特性分析一、实验名称：低通滤波系统的频率特性分析二、实验目的：1、观察理想低通滤波器的单位冲激响应与频谱图。
2、观察RC低通网络的单位冲激响应与频谱图。
三、实验原理：（写报告时这部分要详细写并要求有必要的推导过程）1、理想低通的单位冲激响应为Sa(t-t0)函数，幅频特性在通带内为常数，阻带内为零。
在截止频率点存在阶跃性跳变。
相频特性为通过原点斜率为-wt0的直线。
2、实际物理可实现的RC低通网络通带阻带存在过渡时间，与RC时间常数有关，通带阻带也不再完全是常数。
相频特性为通过原点的曲线。
（在原点附近近似直线）。
四、实验步骤：1、打开MATLAB软件，建立一个M文件。
2、MA TLAB所在目录的\work子目录下建立一个名为heaviside的M文件，创建子程序函数。
4、建立一个新的M文件，编写主程序并保存。
5、运行主程序，观察理想低通滤波器及实际RC低通滤波电路的单位冲激响应与频谱图。
并记录实验结果。
五、实验结果：(见附录B)六、思考题：1、理想低通滤波器的幅频曲线和相频曲线有什么特点？2、实际RC低通与理想低通滤波器的频谱有何不同？为什么？3、在实验中的低通网络RC时间常数是多少？对低通滤波器有何影响？(A) 实验程序1、子程序[定义阶跃函数]function f=heaviside(t)f=(t>0);2、主程序[分别对理想低通和实际低通作图：h(t)、|H(jω)|、φ(ω）] %理想低通滤波器的单位冲激响应、幅频特性、相频特性。
syms t f w;figure(1)f=sin(t-1)/(t-1); Fw=fourier(f); %傅立叶变换x=[-20:0.05:20]; fx=subs(f,t,x);subplot(2,1,1);plot(x,fx); %波形图grid;W=[-4:0.01:4]; FW=subs(Fw,w,W);subplot(2,2,3);plot(W,abs(FW)); %幅频特性grid;xlabel(' 频率');ylabel(' 幅值');subplot(2,2,4);plot(W,angle(FW)); %相频特性grid;xlabel(' 频率');ylabel(' 相位');%RC低通网络的单位冲激响应、幅频特性、相频特性figure(2)f=exp(-2*t)*sym('Heaviside(t)');Fw=fourier(f); %傅立叶变换x=[-4:0.02:4]; fx=subs(f,t,x);subplot(2,1,1);plot(x,fx); %波形图grid;W=[-4:0.02:4];FW=subs(Fw,w,W);subplot(2,2,3);plot(W,abs(FW)); %幅频特性grid;xlabel(' 频率');ylabel(' 幅值');subplot(2,2,4);plot(W,angle(FW)); %相频特性grid;xlabel(' 频率');ylabel(' 相位');(B) 运行结果图1 理想低通滤波器的单位冲激响应及频率特性图2 RC低通滤波电路的单位冲激响应及频率特性。
关于示波器的幅频特性曲线
1，基于 RC 理论模型的示波器幅频特性曲线 示波器的带宽被称为示波器的第一指标，而示波器的幅频特性曲线则直接证明了示波器带宽指标是否
符合要求，表征了示波器模拟前端放大器的重要特性。
当示波器输入幅值恒定但频率变化的正弦波时，示波器测量到的峰峰值将随着输入频率而变化，这种 幅值随频率变化的关系就是示波器的幅频特性。其实和示波器的幅频特性相对应的还有相频特性，在高端 示波器信号保真度的讨论中时有提及。
众所周知，示波器的模拟前端放大器是低通滤波器特性。低通滤波器用一阶 RC 电路模型等效之后如图 1 所示。
图 1 低通滤波器的一阶 RC 电路模型
鼎阳硬件设计与测试智库
图 2 低通滤波器的幅频特性曲线 该 RC 电路的传递函数是：
文档编号：HWTT0012
假设： 则传递函数可写成：
幅频特性为：
据此画出一阶 RC 电路的幅频特性曲线如图 2 所示。图示中的转折频率点就是输出电压降低到输入的 70.7%的频率，也就是-3dB 频率点。示波器的模拟带宽就是以此转折频率点来确定的。
从数学的角度，示波器的频率响应函数 H( jw) 等于输出 y(t)的傅氏变换 Y( jw)与输入 x(t)的傅氏变换 X( jw)的比值：H( jw) = Y( jw) / X( jw)，一般 H( jw)是一个复数，它的模是“幅频特性”，它的幅角就是 “相频特性”。通过对数坐标表示幅频特性的图形称为波特图。
3，幅频特性曲线的绘制方法之江湖纷争 幅频特性曲线绘制方法，笔者在江湖上遇到过的有四种：扫频点描法，扫频 FFT 法，快沿 FFT 法，底
噪 FFT 法。（需要说明一下：这些方法的命名是笔者个人定义的，大家不要去搜索这几个词了。）
其中，底噪 FFT 法就是示波器不输入任何信号，仅对示波器本底噪声做 FFT 运算，因为本底噪声是随 机噪声，可能包括了各种不同的频率成分，因此其 FFT 结果的高频成份越丰富，说明示波器带宽越高。这 种方法存在的漏洞非常明显，是一种典型地在中国市场上示波器供应商忽弄用户的。
实验六 RC低通滤波电路幅频特性的测试与系统模拟
实验六、无源和有源低通、高通、带通、带阻滤波器一、实验目的1、了解RC无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性2、分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性二、实验原理1、滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频带范围）的信号通过，而其它频率的信号受到衰减或抑制，这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可以由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。
2、，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）四种。
把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。
而通带与阻带的分界点的频率ωc称为截止频率或称转折频率。
图6-1中的|H(jω)|为通带的电压放大倍数，ω0为中心频率，ωcL和ωcH 分别为低端和高端截止频率。
（a）低通滤波（b）高通滤波（c）带通滤波（d）带阻滤波图6-1 各种滤波器的幅频特性四种滤波器的实验线路如图6-2所示：(a)无源低通滤波器 (b)有源低通滤波器(c) 无源高通滤波器 (d)有源高通滤波器(e)无源带通滤波器 (f)有源带通滤波器(g)无源带阻滤波器 (h)有源带阻滤波器图6-2 几种滤波器的实验线路图3、如图6－3所示，滤波器的频率特性H （j ω），用下式来定义：式中A （j ω）为滤波器的幅频特性，θ(j ω)为滤波器的相频特性。
根据不同的滤波器，可以求出各自滤波器的H （j ω），详细的推导过程及原理，请参照《电路原理》的相关内容。
它们也都可以通过实验的方法来测量。
图6-3 滤波器三、 仪器设备1、实验主板；2、RC 滤波器模块。
四、实验内容及步骤1、滤波器的输入端接正弦信号发生器，滤波器的输出端接输出通道；2、测试无源和有源低通滤波器的幅频特性。
（1）测试RC 无源低通滤波器的幅频特性。
用图6-2（a ）所示的电路，测试RC 无源低通滤波器的特性。