实验五 带通滤波器(有源无源).doc

实验五 带通滤波器（有源、无源）一、实验目的1、熟悉带通滤波器构成及其特性。2、学会测量带通滤波器幅频特性的方法。二、实验原理说明滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的电子装置。工程上常用它作信号处理、数据传送和抑制干扰等。这里主要是讨论模拟滤波器。以往这种滤波电路主要采用无源元件R、L和C组成，60年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波电路的工作频率难以做得很高，这是它的不足之处。2.1基本概念及初步定义滤波电路的一般结构如21所示。图中的Vi(t)表示输入信号，V0（t）为输出信号。假设滤波器是一个线形时不变网络，则在复频域内其传递函数（系统函数）为A（s） 滤波电路Vi(t)V0(t) 图2-1 滤波电路的一般结构式中A（s）是滤波电路的电压传递函数，一般为复数。对于频率来说（s=j）则有 A（j）A（j）ej() (2-1)这里A（j）为传递函数的模，()为其相位角。 此外，在滤波电路中关心的另一个量是时延（），它定义为（）- (2-2) 通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性，欲使信号通过滤波器的失真很小，则相位和时延响应亦需考虑。当相位响应()作线性变化，即时延响应（）为常数时，输出信号才可能避免失真。2.2滤波电路的分类对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减（A（j）。通常通带和阻带的相互位置不同，滤波电路通常可分为以下几类：低通滤波电路 其幅频响应如图3-2a所示，图中A表示低频增益A增益的幅值。由图可知，它的功能是通过从零到某一截止角频率H的低频信号，而对大于H的所有频率完全衰减，因此其带宽BWH。高通滤波电路 其幅频响应如图3-2b所示，由图可以看到，在0L范围内的频率为阻带，高于L的频率为通带。从理论上来说，它的带宽BW，但实际上，由于受有源器件带宽的限制，高通滤波电路的带宽也是有限的。带通滤波电路 其幅频响应如图3-2c所示，图中L为低边截止角频率，H高边截止角频率，0为中心角频率。由图可知，它有两个阻带：0L和H，因此带宽BWHL。带阻滤波电路 其幅频响应如图3-2d所示，由图可知，它有两个通带：在0H和L，和一个阻带：HL。因此它的功能是衰减L到H间的信号。同高通滤波电路相似，由于受有源器件带宽的限制，通带L也是有限的。带阻滤波电路抑制频带中点所在角频率0也叫中心角频率。图2-2 各种滤波电路的幅频响应（a）低通滤波电路(LPF) （b）高通滤波电路(HPF) （c）带通滤波电路(BPF) （d）带阻滤波电路(BEF) 2.3带通滤波电路(HPF)由图2-3b所示带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较，不难发现低通与高通滤波电路相串联如图2-3所示,可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波电路的截止角频率H大于高通滤波电路的截止角频率n，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。图2-3带通滤波电路构成示意图图2-4所示为二阶压控电压源带通滤波电路。图中R、C组成低通网络， C1、R3组成高通网络，两者串联就组成了带通滤波电路。为了计算简便，设R2=R，R3=2R，则由KCL列出方程，可导出带通滤波电路的传递函数为 (2-3)式中AVF=1+Rf/R1为同相比例放大电路的电压增益，同样要求AVF3，电路才能稳定地工作。令 (2-4)则有 (2-5)式（2-5）为二阶带通滤波电路传递函数的典型表达式，其中0=1/（RC），即是特征角频率，也是带通滤波电路的中心角频率。图2-4 二阶压控电压源带通滤波电路图2-5 图2-4所示电路的幅频响应令s=j代入式（2-5），则有 (2-6)式（2-6）表明，当=0时，图2-4所示电路具有最大电压增益，且A(j0)= AO = AVF/（3 - AVF），这就是带通滤波电路的通带电压增益。根据式（2-6），不难求出其幅频响应，如图2-5所示，Q值越高，通带越窄。当式（2-6）分母虚部的绝对值为1时，有A(j)=AO/；因此，利用-取正根，可求出带通滤波电路的两个截止角频率，从而导出带通滤波电路的通带宽度BW=O/(2Q)=FO/QO。三、实验内容与步骤 实验电路布局如图2-6。图2-6实验电路布局图比较与测量两种带通滤波器的频响特性1、 图示2-7为带通滤波器图2-7（a）无源带通滤波器图2-7（b）有源带通滤波器2、逐点测量其幅频响应，填入表2-13、扫频法测量（示波器工作于XY状态）将S402的“1-2”连接，S401接于“3”，S402接于“Sin”；TP402接示波器CH1；SG401与SG201连接；T