电路实验报告12 有源滤波器设计

课程名称：电路与电子技术实验II 指导老师：沈连丰成绩：__________________ 实验名称：有源滤波器设计实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的和要求
1、掌握有源滤波器的分析和设计方法。

2、学习有源滤波器的调试、幅频特性的测量方法。

3、了解滤波器的结构和参数对滤波器性能的影响。

4、用EDA仿真的方法来研究滤波电路，了解元件参数对滤波效果的影响。

二、实验内容和原理
1、滤波器的5个主要指标：
(1) 传递函数A v(s) ：反映滤波器增益随频率的变化关系，也称为电路的频率响应、频率特性。

(2) 通带增益A v p：为一个实数。

（针对LPF）、（针对HPF）、（针对BPF）、（针对BEF）。

(3) 固有频率f0：也称自然频率、特征频率，其值由电路元件的参数决定。

(4) 通带截止频率f p：滤波器增益下降到其通带增益A v p 的0.707倍时所对应的频率（也称–3dB 频率、半功率点、上限频率（ωH 、f H ）或下限频率（ωL 、f L ）。

(5) 品质因数Q：反映滤波器频率特性的一项重要指标，不同类型滤波器的定义不同。

例如，在低通和高通滤波器中，定义为当时增益的模与通带增益之比。

2、有源滤波器的设计流程：
设计一个有源低通滤波器时，一般可以先按照预定的性能指标，选择一定的电路形式，然后写出电路的电压传递函数，计算并选定电路中的各个元器件参数。

最后再通过实验进行调试，确定实际的器件参数。

三、实验器材
运放LM358、
四、操作方法和实验步骤
1、实验内容
(1) 在实验板上安装所设计的电路。

(2) 有源滤波器的静态调零。

(3) 测量滤波器的通带增益A v p、通带截止频率f p。

(4) 测量滤波器的频率特性（有条件时可使用扫频仪）。

(5) 改变电路参数，研究品质因数Q 对滤波器频率特性的影响。

2、设计一个二阶有源低通滤波器。

具体要求如下：
(1) 通带截止频率：f p=1kHz；
(2) 通带增益：A v p=1~2 ；
(3) 品质因数：Q = 0.707 ；
(4) 集成运放选用LM358 ，电容选用0.1～0.01μF，电阻控制在kΩ~MΩ数量级。

3、有源低通滤波器的调试方法
(1) 定性检查电路是否具备低通特性
在输入端加上幅度固定的正弦波信号，改变输入信号的频率范围，用示波器或交流毫伏表观测输出电压的幅度变化（要求峰峰值≤10V pp），检查电路是否具备低通特性。

如不具备，则应找出原因，排除电路故障；如已具备低通特性则可进一步调试低通滤波器的特性。

(2) 低通滤波器的特性调试
低通滤波器的特性调试应按有关计算式进行。

在一般情况下，应尽量选用相互间没有影响或影响较小的元件进行调整。

如果有必要，这些调整须反复进行。

(3) 测绘滤波电路的幅频特性曲线。

有条件时，可用扫频仪直接观测滤波电路的幅频特性。

4、设计一个二阶有源低通滤波器。

分别选用如下3 种电路形式来实现。

二阶、有源、压控型(单一正反馈支路)、低通滤波器(LPF，同相型）：
简单的二阶、有源、低通滤波器(LPF，同相型)：
二阶、有源、多路负反馈型、低通滤波器(LPF，反相型)：
五、实验数据记录和处理
简单的二阶、有源、低通滤波器(LPF ，同相型)：
Rf
39k
V215Vd c
V1
15Vd c
FREQ = 3kHz
VAMPL = 5V VOFF = 0V AC = 1V
输入信号幅度控制为500mV 。

有：
幅频特性曲线如下图：
简单的有源、低通滤波器(LPF ，同相型)：
FREQ = 3kHz
VAMPL = 5V VOFF = 0V AC = 1V Rf
{Rf}
V
V215Vdc
V1
15Vdc
(1) 输入信号幅度控制为10V。

有：
幅频特性曲线如下图：
当输出电压波形开始成三角波时的示波器波形：
(2) 输入信号幅度控制为10mV。

有：
改变输入信号的频率范围，用示波器或交流毫伏表观察输出电压的幅度变化。

当测出的输出电压值达到Uo×0.707值时，停止信号源频率的改变，此时信号源所对应的输出频率即为上限频率f H或下限频率f L。

Uo=16.0mV。

f H≈600kHz。

二阶、有源、压控型(单一正反馈支路)、低通滤波器(LPF，同相型）：
V215Vdc
V1
15Vdc
V
FREQ = 3kHz
VAMPL = 5V VOFF = 0V AC = 1V Rf {Rf}
(1) Rf=39k ：
输入信号幅度控制为500mV 。

有：
幅频特性曲线如下图：
(2) Rf=100k ：
出现自激振荡。

二阶、有源、多路负反馈型、低通滤波器(LPF ，反相型)：
V1
15Vdc
VAMPL V215Vdc
Rf 10k
输入信号幅度控制为500mV 。

(1) C1=0.01u:
幅频特性曲线如下图：
(2) C2=0.1u:
幅频特性曲线如下图：
六、仿真分析
简单的二阶、有源、低通滤波器(LPF，同相型)：
简单的有源、低通滤波器(LPF，同相型)：
(1) 输入信号幅度控制为10V。

有：
(2) 输入信号幅度控制为10mV。

有：
f H≈537kHz。

二阶、有源、压控型(单一正反馈支路)、低通滤波器(LPF，同相型）：(1) Rf=39k：
二阶、有源、多路负反馈型、低通滤波器(LPF，反相型)：
(1) C1=0.01u:
(2) C2=0.1u:
七、心得体会
通过本次实验我掌握了有源滤波器的分析和设计方法，学习了有源滤波器的调试、幅频特性的测量方法，了解了滤波器的结构和参数对滤波器性能的影响。

实验完成后我还用EDA仿真的方法来研究滤波电路，加深了对PSpice的熟练程度，了解了元件参数对滤波效果的影响。

2015.05.28。