模拟低通滤波器的设计与测试分析

信号系统与信息处理综设实验模拟低通滤波器的设计与测试分析院系：物理与电信工程学院年级：本科生2011级姓名：李杰学号：日期：2013年05月18日目 录一、实验目的2二、设计要点2三、电路设计2四、软件仿真3五、硬件测试10六、实验结果分析109模拟低通滤波器的设计与测试分析一、实验目的在软硬件常规实验的基础上，运用“信号与系统”的理论知识，设计、分析、测试基本电路系统，初步掌握综合运用理论知识、软件仿真以及硬件测试进行简单系统的设计与分析的基本方法。为同学创造应用实践的契机，培养同学的自学能力和钻研能力。二、设计要点1、选取低通滤波器，制作硬件电路。2、系统的软件仿真内容可选取时域、频域和S域中的部分内容或全部内容。如在时域中分别研究系统的冲激响应、阶跃响应，以及不同激励信号下的系统零状态响应；在频域中的幅频特性、相频特性等。3、对自己制作的硬件电路，完成系统特性的相关测试。如冲激响应、阶跃响应、频响曲线等。三、电路设计1、电路图图1 有源低通滤波器电路图选取电阻、电容、运算放大器构成上图所示二阶有源低通滤波器。2、 传递函数的计算如上图所示，其传递函数为用代入上式，则有幅频响应： 相频响应：其中，为特征角频率，也是时的3dB截止角频率，此时，即截止角频率为。四、软件仿真所使用的仿真软件：SystemView1、 在SystemView中连线，如下图所示图2 二阶有源低通滤波器仿真Sink0和Sink1为输入信号，Sink3为传递函数（设置低通滤波器参数），Sink4显示Sink0的波形，Sink5显示Sink1的波形，Sink6显示Sink0和Sink1相加后的波形，Sink7显示Sink6经过传递函数后的输出波形。传递函数参数的设置如图3所示。图3 传递函数的设置2、 只选用Sink0（取冲激函数：起始时间为0.5s，幅度为1V）作为输入信号，Sink7显示的波形如图4所示。图4 冲激响应其波形与冲激信号基本一致，冲激信号出现后，波形出现振荡。3、 只选用Sink0（取阶跃函数：起始时间为0.5s，幅度为1V）作为输入信号，Sink7显示的波形如图5所示。图5 阶跃响应其波形与阶跃信号基本一致，阶跃信号出现后，波形出现振荡。4、 只选用Sink0作为输入信号，选取幅度为1V、频率为5000Hz（小于）的正弦波函数，Sink4显示的波形如图6（a）所示。图6（a） 频率为5000Hz的正弦波Sink7显示的波形如图6（b）所示。图6（b） 低频正弦波响应对比图6（a）与图6（b）可知，低频响应的幅度接近输入信号的幅度，符合低通滤波器的滤波特性。5、 只选用Sink0作为输入信号，选取幅度为1V、频率为20KHz（大于）的正弦波函数，Sink4显示的波形如图7（a）所示。图7（a） 频率为20KHz的正弦波Sink7显示的波形如图7（b）所示。图7（b） 高频正弦波响应对比图7（a）与图7（b）可知，高频响应的幅度较低，符合低通滤波器的滤波特性。6、 选用Sink0和Sink1作为输入信号，其中Sink0为幅度1V、频率10KHz的正弦波，Sink1为幅度1V、频率100KHz的正弦波，波形分别如图8（a）（b）所示。图8（a） 10KHz正弦波图8（b） 100KHz正弦波Sink6显示两者相加后的波形，如图8（c）所示。图8（c） 两正弦波叠加Sink7显示两正弦波叠加后经过传递函数的波形，如图8（d）所示。图8（d） 过滤后的波形对比图8各个波形可知，经过低通滤波器后，100KHz的正弦波基本被过滤掉，波形与10KHz的波形基本一致，存在一定震荡。7、 点击传递函数查看波特图，可观察到该低通滤波器的幅频特性及相频特性，如图9所示。图9 幅频特性和相频特性左边纵轴为幅频特性曲线的读数，右边纵轴为相频特性曲线的读数。5、 硬件测试1、 实际电路如图10所示。图10 实际二阶有源低通滤波电路2、时域及频域的硬件测试结果与软件仿真结果基本一致。实验步骤及结果略。六、实验结果分析1、实验中，输入为冲激（阶跃）信号时，通过滤波器后输出波形与冲激（阶跃）信号基本一致，冲激（阶跃）信号出现后存在一定震荡。与理论基本一致。2、实验中，当输入为高频率（100KHZ）正弦波与低频率（10KHZ）正弦波叠加时，通过低