專業(yè)：_ __自動(dòng)化_ ___ 姓名：_____劉慶宇_____ 學(xué)號(hào)：___3110101267___ 日期：___2013/5/24____ 地點(diǎn)：_ _ _東3-409___ 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱：____信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn)________指導(dǎo)老師：__ _孫暉_____成績(jī)：__________________ 實(shí)驗(yàn)名稱：____無源濾波器和有源濾波器____實(shí)驗(yàn)類型：___________同組學(xué)生姓名：_張悅_劉啟航__ 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿? 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填） 三、主要儀器設(shè)備（必填） 四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填） 七、討論、心得 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1. 熟悉模擬濾波器的構(gòu)成及其特性； 2. 學(xué)會(huì)測(cè)量濾波器幅頻特性的方法。 二、實(shí)驗(yàn)器材 1. PC一臺(tái)； 2. NI myDAQ便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備1套； 3. 面包板1塊，電阻、電容、運(yùn)算放大器(741)若干，導(dǎo)線。 裝 訂 線 三、實(shí)驗(yàn)原理 1. 濾波器是對(duì)輸入信號(hào)的頻率具有選擇性的一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它允許某些頻率（通常是某個(gè)頻率范圍）的信號(hào)通過，而其它頻率的信號(hào)幅值均要受到衰減或抑制。這些網(wǎng)絡(luò)可以由RLC組件或RC組件構(gòu)成的無源濾波器，也可由RC組件和有源器件構(gòu)成的有源濾波器。 2. 濾波電路的一般結(jié)構(gòu)如2—1所示。圖中的Vi(t)表示輸入信號(hào)，V0（t）為輸出信號(hào)。假設(shè)濾波器是一個(gè)線形時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)，則在復(fù)頻域內(nèi)其傳遞函數(shù)（系統(tǒng)函數(shù)）為 濾波電路 Vi(t) V0(t) A（s）＝ 圖2-1 濾波電路的一般結(jié)構(gòu) 式中A（s）是濾波電路的電壓傳遞函數(shù)，一般為復(fù)數(shù)。對(duì)于頻率來說（s=jω）則有 A（jω）＝│A（jω）│ejφ(ω) (2-1) 這里│A（jω）│為傳遞函數(shù)的模，φ(ω)為其相位角。 此外，在濾波電路中關(guān)心的另一個(gè)量是時(shí)延τ（ω），它定義為 τ（ω）＝- (2-2) 通常用幅頻響應(yīng)來表征一個(gè)濾波電路的特性，欲使信號(hào)通過濾波器的失真很小，則相位和時(shí)延響應(yīng)亦需考慮。當(dāng)相位響應(yīng)φ(ω)作線性變化，即時(shí)延響應(yīng)τ（ω）為常數(shù)時(shí)，輸出信號(hào)才可能避免失真。 3. 對(duì)于幅頻響應(yīng)，通常把能夠通過的信號(hào)頻率范圍定義為通帶，而把受阻或衰減的信號(hào)頻率范圍稱為阻帶，通帶和阻帶的界限頻率叫做截止頻率。 理想濾波電路在通帶內(nèi)應(yīng)具有零衰減的幅頻響應(yīng)和線性的相位響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)應(yīng)具有無限大的幅度衰減（│A（jω）│＝０）。通常通帶和阻帶的相互位置不同，濾波電路通?？煞譃橐韵聨最悾? 低通濾波電路 其幅頻響應(yīng)如圖3-2a所示，圖中A０表示低頻增益│A│增益的幅值。由圖可知，它的功能是通過從零到某一截止角頻率ωH的低頻信號(hào)，而對(duì)大于ωH的所有頻率完全衰減，因此其帶寬BW＝ωH。 高通濾波電路 其幅頻響應(yīng)如圖3-2b所示，由圖可以看到，在0＜ω＜ωL范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于ωL的頻率為通帶。從理論上來說，它的帶寬BW＝∞，但實(shí)際上，由于受有源器件帶寬的限制，高通濾波電路的帶寬也是有限的。 帶通濾波電路 其幅頻響應(yīng)如圖3-2c所示，圖中ωL為低邊截止角頻率，ωH高邊截止角頻率，ω0為中心角頻率。由圖可知，它有兩個(gè)阻帶：0＜ω＜ωL和ω＞ωH，因此帶寬BW＝ωH－ωL。 帶阻濾波電路 其幅頻響應(yīng)如圖3-2d所示，由圖可知，它有兩個(gè)通帶：在0＜ω＜ωH和ω＞ωL，和一個(gè)阻帶：ωH＜ω＜ωL。因此它的功能是衰減ωL到ωH間的信號(hào)。同高通濾波電路相似，由于受有源器件帶寬的限制，通帶ω＞ωL也是有限的。 帶阻濾波電路抑制頻帶中點(diǎn)所在角頻率ω0也叫中心角頻率。 圖2-2 各種濾波電路的幅頻響應(yīng) （a）低通濾波電路(LPF) （b）高通濾波電路(HPF) （c）帶通濾波電路(BPF) （d）帶阻濾波電路(BEF) 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果 打開LabVIEW SFP儀器套件，單擊FGEN圖標(biāo)進(jìn)入函數(shù)發(fā)生器功能，設(shè)置波形為正弦波，峰值為1V，由AO 0通道輸出。 1. 測(cè)量低通濾波器的幅頻特性 (1) 無源低通濾波器 電路圖如下 系統(tǒng)函數(shù)為： As=1(RCs)2+3RCs+1 Multisim仿真的波特圖結(jié)果如下 LabVIEW仿真設(shè)置如下 仿真結(jié)果為 (2)有源低通濾波器 電路圖如下 系統(tǒng)函數(shù)： As=1(RCs)2+2RCs+1 Multisim仿真的波特圖結(jié)果如下 LabVIEW仿真設(shè)置如下 仿真結(jié)果為 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果 A．逐點(diǎn)測(cè)量法 Vi/V 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 f/Hz 100 1000 1500 2000 2500 3000 3500 5000 7500 10000 Vo/V 0.999 0.916 0.834 0.736 0.637 0.545 0.47 0.303 0.163 0.099 Gain -0.00435 -0.38105 -0.78834 -1.33122 -1.95861 -2.63603 -3.27902 -5.18557 -7.87812 -10.0436 截至頻率：2.057kHz B．測(cè)量波特圖 2. 測(cè)量高通濾波器的頻幅特性 (1)無源高通濾波器 電路圖如下 系統(tǒng)函數(shù)為： As=(RCs)2(RCs)2+3RCs+1 Multisim仿真的波特圖結(jié)果如下 LabVIEW仿真設(shè)置如下 仿真結(jié)果為 (2)有源高通濾波器 電路圖如下 系統(tǒng)函數(shù)： As=(RCs)2(RCs)2+2RCs+1 Multisim仿真的波特圖結(jié)果如下 LabVIEW仿真設(shè)置如下 仿真結(jié)果為 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 A． 逐點(diǎn)測(cè)量法 Vi/V 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 f/Hz 100 500 2000 3000 3500 4000 4500 6000 8000 10000 20000 Vo/V 0.003 0.025 0.26 0.436 0.513 0.537 0.627 0.745 0.834 0.87 0.978 Gain -25.2288 -16.0206 -5.85027 -3.60514 -2.89883 -2.70026 -2.02732 -1.27844 -0.78834 -0.60481 -0.09661 截止頻率：4.847kHz B． 波特圖 3. 測(cè)量帶通濾波器的幅頻特性 (1)無源帶通濾波器 電路圖如下 系統(tǒng)函數(shù)： As=RCs(RCs)2+3RCs+1 Multisim仿真的波特圖結(jié)果如下 LabVIEW仿真設(shè)置如下 仿真結(jié)果為 (2)有源帶通濾波器 電路圖如下 系統(tǒng)函數(shù)： As=RCs(RCs)2+2RCs+2 Multisim仿真的波特圖結(jié)果如下 LabVIEW仿真設(shè)置如下 仿真結(jié)果為 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 A． 逐點(diǎn)測(cè)量法 Vi/V 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 f/Hz 100 500 1000 2000 3000 5000 7000 10000 15000 20000 Vo/V 0.018 0.075 0.14 0.233 0.291 0.317 0.299 0.255 0.194 0.124 Gain -17.4473 -11.2494 -8.53872 -6.32644 -5.36107 -4.98941 -5.24329 -5.9346 -7.12198 -9.06578 截止頻率和同頻帶：1.713Hz和11.121Hz B． 波特圖 4. 測(cè)量帶阻濾波器的幅頻特性 (1)無源帶阻濾波器 電路圖如下 系統(tǒng)函數(shù)： As=(RCs)2+1(RCs)2+4RCs+1 Multisim仿真的波特圖結(jié)果如下 LabVIEW仿真設(shè)置如下 仿真結(jié)果為 (2)有源帶阻濾波器 電路圖如下 系統(tǒng)函數(shù)： As=(RCs)2+1(RCs)2+2RCs+1 Multisim仿真的波特圖結(jié)果如下 LabVIEW仿真設(shè)置如下 仿真結(jié)果為 實(shí)驗(yàn)結(jié)果、 A．逐點(diǎn)測(cè)量法 Vi/V 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 f/Hz 100 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 6000 7000 10000 20000 Vo/V 0.998 0.841 0.597 0.478 0.303 0.159 0.051 0.14 0.216 0.396 0.516 0.712 0.865 Gain -0.00869 -0.75204 -2.24026 -3.20572 -5.18557 -7.98603 -12.9243 -8.53872 -6.65546 -4.02305 -2.8735 -1.4752 -0.62984 同頻帶為：2304.075Hz到6968.652Hz B． 波特圖 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與體會(huì) 1. 由理論分析和結(jié)果圖比較可得，有源濾波器在通頻帶內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大，使濾波器具有更大的靈活性，并且有源濾波器的Q值優(yōu)于無源濾波器。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，有源濾波器的截止頻率的理論值跟實(shí)驗(yàn)值偏差很小，而無源濾波器的截止頻率的理論值跟實(shí)驗(yàn)值偏差比較大。 2. 無源濾波器：這種電路主要有無源元件R、L和C組成，具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。 3. 有源濾波器：集成運(yùn)放和R、C組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運(yùn)放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。 4．本次試驗(yàn)是軟硬件的結(jié)合，不但需要硬件與軟件使用的知識(shí)，還需要結(jié)合理論計(jì)算，在LabVIEW的使用上，出現(xiàn)了許多的困難，在別人的幫助下才最終完成了仿真分析，還需要加強(qiáng)對(duì)這個(gè)軟件的學(xué)習(xí)。