信号处理及应用实验说明书(1)

信号处理及应用实验说明书

实验一模拟滤波器实验

1）实验目的

结合讲课内容，加深对信号的无失真传输、有源和无源带通滤波器、巴特沃斯低通滤波器的理解。2）实验设备

①THKSS-E型信号与系统实验箱

②实验模块①、⑥

③示波器

④导线：2根长线、2根中长线、5根短线

3）实验内容

1．无源和有源带通滤波器

测试无源和有源带通滤波器的幅频特性。

2．巴特沃斯低通滤波器

分别设计截至频率f＝100Hz时的二阶、三阶、四阶巴特沃斯滤波器（使用实验模块⑥）。

3．信号的无失真传输

设计一个无源的无失真传输系统，观察输入不同信号（正弦波、方波、三角波）时，输出信号的波形（使用实验模块①）。

4）实验原理

1．无源和有源带通滤波器

带通滤波器的幅频特性如图1所示。

图1 带通滤波器的幅频特性

无源和有源带通滤波器的传递函数及实验电路如图2所示。

（a）无源带通滤波器（b）有源带通滤波器

图2 带通滤波器的传递函数及实验电路

2．巴特沃斯低通滤波器

Butterworth低通滤波器是一种常用的简单滤波器，其幅频响应的表达式为

其幅频特性曲线如图3所示

图3 Butterworth低通滤波器幅频特性曲线图

从上图可以看出，N值越大（或阶次越高）特性越接近矩形。以下3式分别是N=2,3,4时的传递函数。

（1）N=2时，实验电路图如图4所示。

图4 N=2时系统实验电路

（2）N=3时

图5 N=3时系统实验电路

（3）N=4时

图6 N=4时系统实验电路

3．信号的无失真传输原理：是指通过系统后信号的输出信号的波形与输入信号的波形完全相同，只允许有幅值上的差异和产生一定的延迟时间，具有这种特性的系统称为无失真传输系统。令输入信号为X(t)，系统的输出为：

Y(t)＝Kx(t－t0)

无源的无失真传输电路如图7所示：

图7 无失真传输电路图

其中R1=R2=20K，C1=C2=1uF，则它的频率特性为

5）实验步骤

1．熟悉THKSS-E型信号与系统实验箱各部分的作用。

2．根据图2依次进行有源和无源带通滤波器连线，将实验箱上的“函数信号发生器”输出端，连接到带通滤波器的输入端。调整“函数信号发生器”的输出信号幅值为3.5V，用“真有效值交流数字毫伏表”测量，改变带通滤波器输入信号的频率，测量滤波器输出端的信号幅值（可以用示波器或交流数字毫伏表）。计算输入端和输出端的幅值比并描绘其幅频特性。

3．将实验模块⑥放在实验箱合适的位置，根据图4进行连线，给定巴特沃斯滤波器的输入幅值（3V），在改变输入频率时测量输出幅值，画出2阶巴特沃斯滤波器的幅频特性，同理在同一张图上画出3阶、4阶巴特沃斯滤波器的幅频特性。

4．将实验模块①放在实验箱合适的位置，打开电源，在无失真传输模块的信号输入端输入一个正弦信号，并改变其频率（10Hz~20KHz）。用示波器观察输出信号的幅值和相位，改用其他信号（方波，三角波），观察信号的无失真传输。

实验报告

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