电路原理自选实验_有源滤波器的研究
电路原理自选实验
有源滤波器的研究
生医9
实验日期：2010.12.24
一、实验目的
1、了解切比雪夫低通滤波器及与其对偶的高通滤波器的构成。 2、了解将低通滤波器与高通滤波器串联可以构成带通滤波器。
3、了解利用低通滤波器、高通滤波器和求和电路可以构成带阻滤波器。 4、观察上述滤波电路的滤波性质。
二、实验原理与预习计算 （一）切比雪夫低通滤波器
（图1）切比雪夫低通滤波器
切比雪夫低通滤波器改自简单二阶低通滤波器，引入了一个正反馈，目的是使特征频率与截止频率重合。采用二阶低通滤波电路，是因为阶数越高，滤波器的过渡带越窄。简单分析一下这个电路的滤波性质：当输入信号的频率非常低时，两个电容容抗很大，相当于开路。电容C1的开路使正反馈很弱而相当于没有引入正反馈，电容C2的开路使输入信号顺利通过。当输入信号的频率非常高时，两个电容容抗很小，相当于短路。这时由于C2相当于短路，信号不能通过，实现了高频信号的截止。而由于正反馈的引入，使得当输入信号的频率为特征频率时，放大倍数适当提高，从而使特征频率与截止频率重合。
下面根据图1给出的电路参数进行一些计算。 电路的通带放大倍数是
电路的特征频率（截止频率）是
可以大致画出切比雪夫低通滤波器的放大倍数的幅频特性曲线。
（图2）切比雪夫低通滤波器的放大倍数的幅频特性曲线
（二）高通滤波器
（图3）高通滤波电路
根据高通滤波电路与低通滤波电路的对偶性，将图1的切比雪夫低通滤波器中的电容与电阻互换可得与之对偶的高通滤波器。
电路的通带放大倍数是
电路的特征频率（截止频率）是
可以大致画出该高通滤波器的放大倍数的幅频特性曲线。
（图4）高通滤波器的放大倍数的幅频特性曲线
（三）带通滤波器
（图5）带通滤波电路
将一低通滤波器与一高通滤波器串联，那么只有既能通过低通滤波器也能通过高通滤波器的信号才能通过，实现了带通滤波的功能。
（四）带阻滤波器
（图6）带阻滤波电路
将输入信号分别接入一个低通滤波器和一个高通滤波器，再将它们的输出接入一求和电路，这样只有低通滤波器和高通滤波器都不能通过的信号才会被截止，即实现了带阻滤波的功能。图6所示电路的通带放大倍数为2，截止频率中心点在1000Hz。
三、计算机仿真
（一）切比雪夫低通滤波电路放大倍数的幅频特性
（二）高通滤波器放大倍数的幅频特性
（三）带通滤波器放大倍数的幅频特性
（四）带阻滤波器放大倍数的幅频特性
从上面四幅图可以看出，利用四个实验电路得到的滤波器的滤波性质还是比较好的。
四、实验器材
09018816 函数信号发生器 1台
WY-1314 直流电源 1台
01000768 数字示波器 1台
2 数字万用表 1台
63071 电容箱 1台
160欧电阻 若干
1微法电容 若干
741运算放大器 1个
导线 若干
五、实验任务与注意事项
按照上面的图1、图3、图5、图6所示电路图连接组成切比雪夫低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。将函数信号发生器接在电路图中交流信号源的位置，对电路输入幅度为1V的正弦信号。将示波器的探头一个接在信号输入处，一个接在运放的输出端（即探测电路的输出信号），记录输入信号和输出信号的幅度及此时的频率。
需要注意的事项有：
（1）实验前检查实验仪器是否完好。检查导线是否是连通的。将运放接成电压跟随器电路检查运放是否完好。
（2）根据下图正确判断741运放的8个管脚的作用。运放的工作电压加 。
（图7）741运放
（3）输出信号不清晰或有失真时，适当减小或增大输入信号的幅度。 （4）注意断电操作。保持实验台整齐。电路接线不凌乱。
六、实验数据整理与分析
上图中，虽然在通频带有小幅波动，但放大倍数基本都在2至2.1之间，误差较小。频率超过1000赫兹后，放大倍数下降较快。可见，该低通滤波器滤波性质较好。
（二）高通滤波器
上图中，虽然在通频带有小幅波动，但放大倍数都在2至1.9之间，误差较小。频率低于1000赫兹时，放大倍数下降较快。可见，该高通滤波器滤波性质较好。
上图在通频带有小幅波动，放大倍数都在0.9附近，与1相差较小。两边过渡带里，放大倍数变化都较快。该带通滤波器有明显的带通滤波特性，但是Q较小。要提高Q值，从而使选频特性变得更好，可以通过提高通频放大倍数来实现。
（四）带阻滤波器
从上图中可见，1000赫兹附近的输入信号被明显的减弱了，该带阻滤波器的带阻滤波特性十分明显，而且阻带较窄，Q较大。存在的问题是，在1000赫兹处的电压放大倍数依然在
1左右，还不够小。这可以通过提高通带放大倍数来解决。比如将R1调整为320欧，那么通带放大倍数提高到3，放大倍数的幅频特性曲线如下图所示。
在1000赫兹处的放大倍数接近0，信号几乎被截止。但是这样修改电路的话，阻带也扩大了很多，Q减小了。实际工作中究竟采用哪种电路，要根据具体情况来判断。
七、实验结论
通过本次实验，了解了四种基本的有源滤波器的常用构成法，并观察了其滤波特性并进行了简单的分析。我们可以得到下列结论。
1、对切比雪夫低通滤波器和与之对偶的高通滤波器，可以通过变换滤波电路中R、C的值设定合适的截止频率，可以通过变换负反馈通路中R的值来设定合适的通带放大倍数。而这两个滤波器过渡带的宽窄、过渡带的下降速率等主要由RC环节的阶数决定。实验中采用的是二阶，下降速率为40分贝/十倍频。
2、对带通滤波器和带阻滤波器，提高通带放大倍数可以使在截止频率中心附近的滤波特性变好，但是同时会造成通带或阻带的扩大。实际工作中，要根据实际需求来判断究竟怎么设计电路。 八、感受
一学年的电路原理课程就要结束了。这一学年我们学到了很多，接触到了很多过去没有用到的元件、仪表，特别是运算放大器、示波器、电参数测量仪等，感觉这些仪器将来会很有用。在实验课上我们也学到了电路方面最基本最实用的一些实验技巧和分析方法，这些会伴随着我们，在以后的学习研究中慢慢体现出来。
附：（书面版本页为手写） 原始数据记录
实验日期：2010.12.24
（一）切比雪夫低通滤波电路
（二）高通滤波器
（四）带阻滤波器
附：有源滤波器的研究实验指导书
一、实验目的
1、了解切比雪夫低通滤波器及与其对偶的高通滤波器的构成。 2、了解将低通滤波器与高通滤波器串联可以构成带通滤波器。
3、了解利用低通滤波器、高通滤波器和求和电路可以构成带阻滤波器。 4、观察上述滤波电路的滤波性质。
二、实验原理
（一）切比雪夫低通滤波器
（图1）切比雪夫低通滤波器
切比雪夫低通滤波器改自简单二阶低通滤波器，引入了一个正反馈，目的是使特征频率与截止频率重合。采用二阶低通滤波电路，是因为阶数越高，滤波器的过渡带越窄。简单分析一下这个电路的滤波性质：当输入信号的频率非常低时，两个电容容抗很大，相当于开路。电容C1的开路使正反馈很弱而相当于没有引入正反馈，电容C2的开路使输入信号顺利通过。当输入信号的频率非常高时，两个电容容抗很小，相当于短路。这时由于C2相当于短路，信号不能通过，实现了高频信号的截止。而由于正反馈的引入，使得当输入信号的频率为特征频率时，放大倍数适当提高，从而使特征频率与截止频率重合。
下面根据图1给出的电路参数进行一些计算。 电路的通带放大倍数是
电路的特征频率（截止频率）是
可以大致画出切比雪夫低通滤波器的放大倍数的幅频特性曲线。
（图2）切比雪夫低通滤波器的放大倍数的幅频特性曲线
（二）高通滤波器
（图3）高通滤波电路
根据高通滤波电路与低通滤波电路的对偶性，将图1的切比雪夫低通滤波器中的电容与电阻互换可得与之对偶的高通滤波器。
电路的通带放大倍数是
电路的特征频率（截止频率）是
可以大致画出该高通滤波器的放大倍数的幅频特性曲线。
（图4）高通滤波器的放大倍数的幅频特性曲线
（三）带通滤波器
（图5）带通滤波电路
将一低通滤波器与一高通滤波器串联，那么只有既能通过低通滤波器也能通过高通滤波器的信号才能通过，实现了带通滤波的功能。
（四）带阻滤波器
（图6）带阻滤波电路
将输入信号分别接入一个低通滤波器和一个高通滤波器，再将它们的输出接入一求和电路，这样只有低通滤波器和高通滤波器都不能通过的信号才会被截止，即实现了带阻滤波的功能。
三、预习计算
计算切比雪夫低通滤波电路和与之对偶的高通滤波电路的截止频率和通带放大倍数。 电路中各电阻和电容的取值按照上面给出的图中标记的值确定。
四、实验器材
函数信号发生器 1台 直流电源 1台 数字示波器 1台 数字万用表 1台 电容箱 1台 160欧电阻 若干 1微法电容 若干 741运算放大器 1个 导线 若干
五、实验任务与注意事项
按照上面的图1、图3、图5、图6所示电路图连接组成切比雪夫低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。将函数信号发生器接在电路图中交流信号源的位置，
对电
路输入幅度为1V的正弦信号。将示波器的探头一个接在信号输入处，一个接在运放的输出端（即探测电路的输出信号），记录输入信号和输出信号的幅度及此时的频率。实验后在半对数坐标纸上绘出低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器的放大倍数的幅频特性曲线。在线性坐标纸上绘出带阻滤波器的放大倍数的幅频特性曲线。
需要注意的事项有：
（1）实验前检查实验仪器是否完好。检查导线是否是连通的。将运放接成电压跟随器电路检查运放是否完好。
（2）根据下图正确判断741运放的8个管脚的作用。运放的工作电压加 。
（图7）741运放
（3）输出信号不清晰或有失真时，适当减小或增大输入信号的幅度。 （4）注意断电操作。保持实验台整齐。电路接线不凌乱。
六、实验数据记录
（三）带通滤波器
七、思考题
1、 切比雪夫低通滤波器和与之对偶的高通滤波器实验中，如何设定合适的截止频率？如何
设定合适的通带放大倍数？这两个滤波器过渡带的宽窄、过渡带的下降速率由什么因素决定？
2、 带通滤波器和带阻滤波器实验中，如何使截止频率中心附近的滤波特性变好？这样做会
带来什么缺陷？