7.有源滤波器设计实验

电气工程学院

实验名称：有源滤波器设计实验课程：电路与电子技术实验2

课程号：101C0330

学期：2018春夏学期

任课教师：沈连丰

课程名称：电路与电子技术实验2 指导老师：沈连丰成绩：__________________ 实验名称：有源滤波器设计实验实验类型：练习型

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

实验原理：

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。

实验内容：

1.设计一个简单的二阶、有源、低通滤波器(LPF，同相型)，并测量其幅频特性。

2.设计一个简单的有源、低通滤波器(LPF，同相型)，并测量其幅频特性。

3.设计一个二阶、有源、压控型(单一正反馈支路)、低通滤波器(LPF，同相型），并测量其幅频特性。

4.设计一个二阶、有源、多路负反馈型、低通滤波器(LPF，反相型)，并测量其幅频特性。

三、主要仪器设备

1.集成运算放大器LM358

2.电阻电容等元器件

3.MY61数字万用表

4.示波器

5.函数信号发生器

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

1.简单的二阶、有源、低通滤波器(LPF ，同相型)

取输入Vpp=500mV

仿真如下：

Rf

39k

V

V+

V1

15Vdc

FREQ = 3kHz

VAM PL = 5V VOFF = 0V AC = 1V

得到的幅频特性曲线如下：

2.简单的有源、低通滤波器(LPF，同相型)

当波形刚开始出现时的波形：

此时的Vpp 为18.6V ，频率为9.346kHz 。 仿真如下：

V +

FRE Q = 3kHz

V AM PL = 5V V OFF = 0V A C = 1V Rf

{Rf}

V

V 1

15V dc

得到的幅频特性曲线如下：

输入信号幅度控制为10mV。有：

f H≈537kHz。

3.二阶、有源、压控型(单一正反馈支路)、低通滤波器(LPF，同相型）

仿真结果如下：

4.二阶、有源、多路负反馈型、低通滤波器(LPF，反相型)

C1=0.01u:

C2=0.1u:

六、实验结果与分析

1.简单的二阶、有源、低通滤波器(LPF，同相型)

由“逐点测量法”测量并绘制出的滤波电路的幅频特性曲线可以发现，这是一条先保持稳定然后下降的曲线。并且，当输出电压幅值为初始稳定输出值的1/3时，频率f0约为1.59kHz，当输出电压幅值为初始稳定输出值的0.707倍时，频率fp约为0.59kHz，为f0的0.37倍。

2.简单的有源、低通滤波器(LPF，同相型)

由“逐点测量法”测量并绘制出的滤波电路的幅频特性曲线可以发现，这是一条先保持稳定然后下降的曲线。并且，当输出电压幅值为初始稳定输出值的0.707倍时，频率fp约为535kHz。

当输出电压波形刚开始出现三角波时，产生如下的波形：

此时的输出电压Vpp为18.60V，频率为9.346kHz。

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。

3.二阶、有源、压控型(单一正反馈支路)、低通滤波器(LPF，同相型）

取Rf=39k时，由“逐点测量法”测量并绘制出的滤波电路的幅频特性曲线可以发现，这是一条先保持稳定然后先稍有上升，再逐渐下降至0的曲线。并且，当输出电压幅值先上升再下降至与原初始稳定电压幅值相等时，频率约为1.6kHz，当输出电压幅值为初始稳定输出值的0.707倍时，频率fp约为2kHz。

取Rf=100k时，Avp>3，Q趋向于无穷大，电路产生如下所示的自激振荡波形：

4.二阶、有源、多路负反馈型、低通滤波器(LPF，反相型)

取C1=0.01u时，由“逐点测量法”测量并绘制出的滤波电路的幅频特性曲线可以发现，这是一条先保持稳定，再逐渐下降至0的曲线。

取C1=0.1u时，由“逐点测量法”测量并绘制出的滤波电路的幅频特性曲线可以发现，这是一条先保持稳定然后先稍有上升，再逐渐下降至0的曲线。

七、讨论、心得

这次实验难度不大，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，加深了对于滤波器的结构和参数对滤波器性能的影响的理解。实验完成后我还用EDA仿真的方法来研究滤波电路，再次强化了PSpice的熟练程度，了解了元件参数对滤波效果的影响。