無源濾波器和有源濾波器實(shí)驗(yàn)報(bào)告
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無源濾波器和有源濾波器實(shí)驗(yàn)報(bào)告
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)。