实验三 无源和有源滤波器.doc

实验三无源和有源滤波器
一、实验目的
1、了解RC无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性
2、分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性
3掌握扫描仪的使用方法（TKSS-C型）
二、仪器设备
1、信号与系统实验箱TKSS-A型或TKSS-B型或TKSS-C型
2、双踪示波器
三、原理说明
1、滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频带范围）的信号通过，而其他频率的信号受到衰减或抑制，这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可以由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。
2、根据幅频特性表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）四种。把能够通过的信号频率范围定义为通带，把组织通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。而通过与阻带的分界点的频率ωC称为截止频率或成转折频率。图3-1中的︳Hjω︳为通带的电压放大倍数，ω0为中心频率，ωcL和ωcH分别为低端和高端截止频率。

四种滤波器的试验线路如图3-2所示：

（a）无源低通滤波器（b）有源低通滤波器

（c）无源高通滤波器（d）有源高通滤波器

（e）无源带通滤波器（f）有源带通滤波器

（g）无源带阻滤波器（h）有源带阻滤波器
图3-2-4
图3-2各种滤波器的试验线路图
3、图3-3所示，滤波器的频率特性H(jω)（又称传递函数），它用下式表示

（3-1）
式中A(ω)为滤波器的幅频特性，θ（ω）为滤波器的相频特性。它们都可以通过实验的方法来测量。

图3-3滤波器
四、预习要求1、为使实验能顺利进行，做到心中有数，课前对教材的相关内容和实验原理、目的与要求、步骤和方法要做充分的预习（并预期实验的结果）。
2、指导各类无源和有源滤波器的频率特性，并据此分别画出滤波器的幅频特性曲线。
3、在方波鼓励下，预测各类滤波器的响应情况。
五、实验内容即步骤
1、滤波器的输入端正弦信号发生器或扫频电源，滤波器的的输出端接示波器或交流数字毫伏表，
2、测试无源和有源低通滤波器的幅频特性。
（1）测试RC无源低通滤波器的幅频特性。
用图3-2-1（a）所示的电路。测试RC无源低通滤波器的特性。
实验时，必须保持正弦波信号输入电压（U1）幅值不变的情况下，逐渐改变其频率，用试验箱提供的数字是真有效值交流电压表（10Hz〈f〈1MＨｚ=，测量RC滤波器输出端电压U2的幅值，并把所测得数据记录表一。注意每当改变信号源频率时，都必须观测一下输入信号U1使之保持不变。实验时应介入双踪示波器，分别观测输入U1和输出U2的波形）。（注意：在整个实验过程中应保持U1恒定不变）。
表一
F(Hz)ω0=1/Rc
(rad/s)F0=ω0/2π
(Hz)U1(V)U2(V)
(2)测试RC有源低通滤波器的幅频特性
实验电路如图3-2-1（b）所示。
取R=1K、C=0.01μF、使放大数K=1。测试方法用（1）中的相同的方法进行试验操作，并将实验数据记入表二中。
表二
F(Hz)ω0=1/Rc
(rad/s)F0=ω0/2π
(Hz)U1(V)U2(V)3、分别测试无源、有源HPF、BPF、BEF、幅频特性。
实验步骤、数据记录表格及实验内容，自行拟定。
4、研究各滤波器对方波信号或其它非正弦信号输入的响应（选做，实验步骤自拟）。
六、思考题
1、试比较有源滤波器和无源滤波器各自的优缺点。
2、各类滤波器参数的改变，对滤波器特性有何影响。
七、注意事项
1、在实验测量过程中，必须始终保持正弦波信号的输出（即滤波器的输入）电压U1幅值不变，且输入信号幅度不宜过大。
2、在进行有滤波器实验时，输出端不可短路，以免损害运算放大器。
3、用扫频电源作为鼓励时，可很快得出实验结果，但必须熟读电源的操作和使用说明。
八、实验报告
1、根据实验测量所得的数据，绘制各类滤波器的幅频特征。对于同类型的有源滤波器幅频特性，要求绘制在同一坐标纸上。以便比较，计算出各自特征频率、截止频率和通频带。
2、比较分析各类无源和有源滤波器的滤波特性。
3、分析在方波信号激励下，滤波器的响应情况（选做）。
4写出本实验的心得体会及意见。
『注』：本次实验内容较多，根据情况课分两次进行。