帶通濾波器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、有源濾波電路帶通濾波器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握有源濾波電路的基本概念，了解濾波電路的選頻特性、通頻帶等概念，加深對有源濾波電路的認(rèn)識和理解。2 用Pspice仿真的方法來研究濾波電路，了解元件參數(shù)對濾波效果的影響。3 根據(jù)給定的帶通濾波器結(jié)構(gòu)和元件，分析三種不同中心頻率的帶通濾波器電路的工作特點(diǎn)及濾波效果，分析電路的頻率特性。4 實(shí)現(xiàn)給定方波波形的分解和合成。二、原理說明濾波器是一種二端口網(wǎng)絡(luò)，它的作用是允許某頻率范圍的信號通過，濾掉或抑制其他頻率的信號。允許通過的信號頻率范圍稱為通帶，其余信號的頻率范圍稱為阻帶。許多通過電信號進(jìn)行通信的設(shè)備，如電話、收音機(jī)、電視和衛(wèi)星等都需要使用濾波器。嚴(yán)格的說

2、，實(shí)際的濾波器并不能完全濾掉所選頻率的信號，只能衰減信號。無源濾波器通常由RLC元件組成，一般采取多節(jié)T型或p型結(jié)構(gòu)，制造難，成本高，特別是電感元件的重量和體積都很大。用RC元件與運(yùn)放集成塊構(gòu)成的有源濾波器，不用電感線圈，因此廣泛用于工程電路。此外，運(yùn)放的開環(huán)電壓增益很大，輸入阻抗高，輸出阻抗低，組成的濾波器有一定的放大、隔離和緩沖作用。相比于無源濾波器，有源濾波器有許多優(yōu)點(diǎn)：可以按要求靈活設(shè)置增益，并且無論輸出端是否帶載，濾波特性不變，這也是有源濾波較無源濾波得到更廣泛應(yīng)用的原因。1. 帶通濾波器電路圖1所示為一個(gè)無限增益多路反饋帶通濾波器電路，傳遞函數(shù)為：其中各系數(shù)為： 圖1表征帶通濾波器

3、性質(zhì)的重要參數(shù)有三個(gè)，分別是：中心頻率，也即諧振頻率，帶通濾波器在中心頻率處轉(zhuǎn)移函數(shù)的幅值最大；：帶寬，定義為兩個(gè)截止頻率之差；截止頻率wc的定義為：轉(zhuǎn)移函數(shù)的幅值由最大值下降為最大值的1/時(shí)的頻率，即。：品質(zhì)因數(shù)，定義為中心頻率與帶寬之比。帶通濾波器的增益Kp：定義為傳遞函數(shù)在中心頻率處的幅值增益。三個(gè)帶通濾波器設(shè)計(jì)為：Kp=4，Q=5，中心頻率分別為：1kHz、3kHz、5kHz，對應(yīng)各元件參數(shù)為：C=0.01mF，R1=20kW，R2=1.8kW，R3=160kW。C=0.01mF，R1=6.8kW，R2=0.56kW，R3=56kW。C=0.01mF，R1=3.9kW，R2=0.36k

4、W，R3=33kW。2. 反相加法器 圖2反相加法器電路如圖2所示，輸出為： 3. 同相放大器 圖3同相放大器電路如圖3所示，輸出為：4. 運(yùn)放模塊圖4運(yùn)放是一種由電阻、晶體管、電容和二極管等組成的有源電路元件。運(yùn)放集成電路有多種封裝形式，LF356是八腳雙列直插封裝，如圖4(a)所示。圖4(b)是運(yùn)放的電路符號。5個(gè)重要的引腳分別為：1. 反相輸入端，引腳2；2. 同相輸入端，引腳3；3. 輸出端，引腳6；4. 正電源端，引腳7；5. 負(fù)電源端，引腳4。三、實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)包括兩大部分，首先利用PSpice軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)（任務(wù)1、2），然后進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)（任務(wù)3、4和5）。5 利用PSpic

5、e軟件，對給出的三個(gè)帶通濾波器的工作特性進(jìn)行仿真分析。輸入信號選擇幅值為1V，f=1KHz的方波電壓。觀察一個(gè)方波信號分別通過三個(gè)帶通濾波器后，波形和諧波成分的變化。6 利用PSpice軟件進(jìn)行仿真分析，計(jì)算正弦信號分別通過三個(gè)帶通濾波器時(shí)的幅頻特性。7 使用Um=1V，f=1KHz的方波電壓信號源輸出，連接到動(dòng)態(tài)電路板的輸入端，將激勵(lì)源和帶通濾波器的輸出端分別連至示波器的兩個(gè)輸入口YA和YB，這時(shí)可在示波器的屏幕上同時(shí)觀察到激勵(lì)與響應(yīng)的變化規(guī)律。分別選擇三個(gè)不同中心頻率的帶通濾波器，觀察并記錄此時(shí)的輸出信號的變化；對濾波后的信號分別作fft分析，觀察信號中諧波成分的變化情況。8 使用Um=1

6、V，f=1KHz的方波電壓信號源輸出，將三個(gè)帶通濾波器的輸出連接到反相加法器的輸入端，觀察并記錄反相加法器輸出端信號，并對此信號分別作fft分析，觀察信號中諧波成分的變化情況。9 使用正弦電壓信號源輸出，繪制中心頻率為1KHz、3KHz、5KHz帶通濾波器的幅頻特性圖。10 *將可調(diào)電阻接入反相加法器的反饋回路，定性地觀察當(dāng)此電阻變化時(shí)，加法器輸出信號的變化（輸出飽和現(xiàn)象）。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 信號源；2 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)單元濾波器組件；3 示波器。五、預(yù)習(xí)思考及注意事項(xiàng)1 了解有源選頻電路的基本原理及工作特性。2 學(xué)習(xí)和了解PSpice軟件的使用方法。3 實(shí)驗(yàn)前，熟讀雙蹤示波器使用說明，特別是觀察雙蹤時(shí)

7、，要特別注意開關(guān)、旋鈕的操作與調(diào)節(jié)。六、報(bào)告要求在仿真實(shí)驗(yàn)中：1. 分析激勵(lì)信號為方波時(shí)，三個(gè)帶通濾波器的輸出信號及其fft分析結(jié)果及三個(gè)輸出信號相加后的波形和fft分析結(jié)果。2. 分析激勵(lì)信號為正弦時(shí)，三個(gè)帶通濾波器的幅頻特性曲線。在操作實(shí)驗(yàn)中：1 記錄原始波形分別通過三個(gè)帶通濾波器后，波形和諧波成分的變化； 2 記錄三個(gè)帶通濾波器的輸出波形通過反相加法器后的波形和諧波成分的變化；3 記錄中心頻率為1KHz、3KHz、5KHz帶通濾波器的幅頻特性曲線；4 總結(jié)帶通濾波器對通過的信號的影響，原信號波形和諧波成分的變化；5 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)你對有源濾波器電路工作特性的認(rèn)識。七、PSpice仿真

8、參考觀察時(shí)域波形時(shí)，仿真參數(shù)可設(shè)置如下：分析結(jié)果舉例： 觀察幅頻特性時(shí)，仿真參數(shù)可設(shè)置如下：分析結(jié)果舉例： 如需在output file中記錄fft結(jié)果，仿真參數(shù)可設(shè)置如下：左鍵點(diǎn)擊“Output File Options”，進(jìn)入Transient Output File Options設(shè)置頁面，設(shè)置可參考下圖。其中Output一欄填寫輸出信號端。此時(shí)Output file里會出現(xiàn)如下數(shù)據(jù)：如果需要將fft結(jié)果以圖形表示，可以在probe頁面中設(shè)置如下：更改橫軸設(shè)置：橫軸更改后可顯示如下圖形：仿真用方波可選用source庫中的VPULSE，參數(shù)可設(shè)置如下：（注意：AC不能空著，必須設(shè)置，比如1，不然AC sweep時(shí)會出錯(cuò)）八、實(shí)驗(yàn)線路板介紹注意：嚴(yán)禁帶電接線！1、所有的運(yùn)放引腳7和引腳4都已經(jīng)分別連接到電源的正極和負(fù)極，當(dāng)電源開關(guān)接通時(shí)，所有運(yùn)放上電。2、檢測運(yùn)放是否損壞的方法：搭建一個(gè)增益為1的反相放大器電路（如左下圖），對比輸入和輸出信號即可（如右下圖）。 信號源輸入：紅色接信號輸出端（紅表棒）綠色接地（黑表棒）15V電源紅色接+15V綠色接地黃色接-15V二檔電源開關(guān)往上為通，往下為斷；有些開關(guān)是三檔的，中間為空檔；當(dāng)開關(guān)通時(shí)，開關(guān)下方的LED會發(fā)亮。LF356運(yùn)放，方向指示朝上，引腳3已經(jīng)接地黃色為輸出端。綠色為地