有源滤波电路——低通和高通滤波器

有源滤波电路——低通和高通滤波器
实验报告
实验名称：有源滤波电路——低通和高通滤波器实验类型：__综合实验___
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
1. 掌握有源滤波电路的基本概念，了解滤波电路的选频特性、通频带等概念，加深对有源滤波电路的认识和理解。

2. 用Pspice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。

3. 根据给定的低通和高通滤波器结构和元件，分析其工作特点及滤波效果，分析电路的频率特性。

4. 分别利用低通和高通滤波器搭建带通和带阻滤波器电路，观察和分析其输出波形特点，分析电路的频率特性。

二、 实验原理
1. 低通滤波器电路
图1所示为无限增益多路反馈低通滤波器电路，它是一种非常通用的具有反相增益的滤波器，具有结构简单、特性稳定、输出阻抗低的特点。

电路的传递函数为： 0
2
10
()p K b H s s b s b =++
其中： 0
2311b
R R C C
=
，1
1
2
3
1111()b C
R R
R =++
，2
1
p
R K
R =-
低通滤波器的设计截止频率为6kHz ，增益为2，各元件参数为：
C =0.01μF ，C 1=0.0015μF ，R 1=4.28（4.3）kΩ，R 2=8.57（8.2）kΩ，R 3=5.49（5.6）kΩ。

其中电阻值分别表示为设计值和实际元件标称值（括号内）。

2. 高通滤波器电路
装 订
电路的传递函数为： 2
2
10
()p K s H s s b s b =++
其中： 0
1211b
R R C C
=
，1
1
2
1
1
(2)b C C R C C
=+，1
p
C K C =-
高通滤波器的设计截止频率为10kHz ，增益为2，各元件参数为： C =0.01μF ，C 1=0.005（0.0047）μF ，R 1=1.5kΩ，R 2=9.38（9.1）kΩ。

其中元件值分别表示为设计值和实际元件标称值（括号内）。

3. 带通和带阻滤波器
分别将图1和图2所示低通和高通滤波器级联，可以得到一个带通滤波器，如图3(a)所示；将低通和高通滤波器的输出波形相加，可以得到一个带阻滤波器，如图3(b)所示。

三、主要仪器设备
1．信号源
2．动态实验单元——滤波器组件
3．可存储式数字示波器
四、实验任务
实验任务包括两大部分，首先利用PSpice软件进行仿真实验（任务1、2），然后进行操作实验（任务3、4
和5）。

1．利用PSpice软件，对给出的低通和高通滤波器的工作特性进行仿真分析。

输入信号选择幅值为1V，f=1KHz 的方波电压。

观察一个方波信号分别通过低通和高通滤波器后，波形和谐波成分的变化。

2．利用PSpice软件进行仿真分析，将低通和高通滤波器级联为带通滤波器、相加为带阻滤波器，输入信号选择幅值为1V，f=1KHz的方波电压，观察一个方波信号分别通过带通滤波器和带阻滤波器后，波形和谐波成分的变化。

3．使用Um=1V，f=1KHz的方波电压信号源输出，连接到动态电路板的输入端，将激励源和低通滤波器、高通滤波器的输出端分别连至示波器的两个输入口Y A和Y B，这时可在示波器的屏幕上同时观察到激励与响应的变化规律。

观察并记录此时的输出信号的变化；对滤波后的信号作fft分析，观察信号中谐波成分的变化情况。

4．将低通和高通滤波器级联，实现带通滤波器的功能；将低通和高通滤波器输出信号相加，实现带阻滤波器的功能。

输入信号选择幅值为1V，f=1KHz的方波电压，观察并记录此时的输出信号的变化；对滤波后的信号作fft分析，观察信号中谐波成分的变化情况。

5．使用正弦电压信号源输出，绘制低通和高通级联而
成的带通滤波器的幅频特性图。

6．选做内容：将可调电阻接入反相加法器的反馈回路，定性地观察当此电阻变化时，加法器输出信号的变化。

7．选做内容：使用Um=1V，f=1KHz的方波电压信号源输出，将三个带通滤波器的输出连接到同相加法器的输入端，观察并记录同相加法器输出端信号，并对此信号分别作fft分析，观察信号中谐波成分的变化情况。

五、实验数据记录和处理
1、仿真实验
（1）低通滤波器：
FFT：
幅频特性：
（2）高通滤波器：
FFT：
幅频特性：
（3）带通滤波器：
FFT：
幅频特性：
（4）带阻滤波器：
FFT：
幅频特性：
2、实际操作实验
（1）低通滤波器：
FFT：
（2）高通滤波器：
FFT：
（3）带通滤波器：
FFT：
（4）带阻滤波器：
FFT：
（5）使用正弦电压信号源输出，绘制低通和高通级联而成的带通滤波器的幅频特性图。

数据：
f（kHz）U(V)
1.8287 0.133
2.5621 0.243
3.0911 0.336
3.7272 0.451
4.4452 0.564
5.2348 0.648
5.5762 0.667
5.9121 0.676
6.1157 0.677
6.3627 0.674
6.6432 0.668 f（kHz）U(V)
7.2145 0.64
8.0666 0.58
8.5308 0.543
9.0409 0.502 9.3741 0.474
9.6937 0.45
10.134 0.418
11.122 0.351
11.876 0.307
12.911 0.256 14.174 0.207
幅频特性图：
六、实验结果与分析
1、低通和高通滤波器对通过的信号的影响，原信号波形和谐波成分的变化
低通滤波器能使频率低于某个频率的信号通过，而滤掉高于该频率的信号，并将其放大为输入信号的n倍。

在该频率附近的谐波成分保留，高于该频率的谐波成分很小甚至没有。

高通滤波器能使频率高于某个频率的信号通过，而滤掉低于该频率的信号，并将其放大为输入信号的n倍。

在该频率附近的谐波成分保留，低于该频率的谐波成分很小甚至没有。

2、有源滤波器电路工作特性
有源滤波器是指用晶体管或运放构成的包含放大
和反馈的滤波器，包括正反馈和负反馈，有源滤波器的
实现，可分为直接实现和级联实现。

其具有高度可控性和快速响应性，具体特点为：不仅能补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

通过与以前实验无源滤波器的对比，有源带通滤波器能将得到的信号进行放大；输出端是否带载，不影响输出的波形特征；可以通过R和C参数的调整，输出特定的频率段波形。

七、讨论、心得
这次实验通过对有源滤波器中的低通和高通滤波器的仿真和实际操作，对有源滤波器有了更为深入的了解，同时和以前做过的无源滤波器相比较，感觉到了有源滤波器应用的广泛性，有了很大的收获。