有源滤波器实验报告
时间：2020-09-12 08:56:21 来源：达达文档网 本文已影响 人 
实验报告
课程名称：电路分析与设计实验 指导老师： 成绩：__________________
实验名称：滤波器分析与设计实验 实验类型：电子技术型实验
一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
实验目的和要求：
1．掌握有源滤波器的分析和设计方法。
2．学习有源滤波器的调试、幅频特性的测量方法。
3．了解滤波器的结构和参数对滤波器性能的影响。
4．用EDA仿真的方法来研究滤波电路，了解元件参数对滤波效果的影响
实验内容和原理：
1．设计二阶有源多重负反馈型低通滤波器，其参数指标：通带增益 ，固有频率；计算其品质因数Q和实际的截止频率；
2．对所设计的有源滤波器进行软件仿真，分析其参数指标，及其幅频/相频特性曲线；
3．对步骤2设计所得的电路参数做适当调整，并重新设计和软件仿真，观察参数对品质因数Q和截止频率 的影响；
4．仿照步骤1/2/3，设计并仿真二阶有源高通、带通滤波器（指标自定义）。
5. 实际电路测试
6. 滤波器主要性能指标
传递函数Av(s)：反映滤波器增益随频率的变化关系，也称为电路的频率响应、频率特性。
通带增益 Avp：通频带放大倍数，为一个实数。
固有频率 fc：也称自然频率、特征频率， 其值由电路元件的参数决定。
通带截止频率fp：滤波器增益下降到其通带增益Avp 的 0.707倍时所对应的频率（也称–3dB 频率、半功率点、上限频率（ ωH 、 fH ）或下限频率（ ωL、 fL） 。
品质因数Q：反映滤波器频率特性的一项重要指标，不同类型滤波器的定义不同。
主要仪器设备：
模电实验箱、函数信号发生器、示波器、稳压源
操作方法和实验步骤：
在实验箱上连接所设计的电路。
有源滤波器的静态调零。
测量滤波器的通带增益Avp、 通带截止频率 fp。
测量滤波器的频率特性。
依次测试低通滤波器、高通滤波器，再将两者串联为带通滤波器，最后再使用单运放直接连接为带通滤波器并测试。
实验数据记录与处理
二阶有源多重负反馈型低通滤波器：
图1低通滤波器电路图：
表1 低通滤波器测试结果
静态测试：V+ = V- = Vo = 0 Vcc = 14.7V Vee = 14.3V
动态参数：信号Vpp = 2V φ=0
f(Hz)
100
300
500
700
800
900
937.8
1k
1.5k
2k
3k
Vo(V)
8
8
8
7.6
6.06
6.32
5.47
4.72
3.12
1.88
0.86
Φ(°)
173
154
136
117
107
96
92
87
54
41
25.5
Avp
fc(Hz)
fp(Hz)
Q
理论值
-4
937.8
=fc=937.8Hz
0.7071068
实测值
-4
931
0.68375
仿真值
-4
938
0.707
图2低通波特图：
无限增益多路负反馈二阶高通滤波器
电路设计图：
图3高通滤波器电路图：
表2 高通滤波器测试结果
静态测试：V+ = V- = Vo = 0 Vcc = 14.7V Vee = 14.3V
动态参数：信号Vpp = 2V φ=0
f(Hz)
100
110
300
500
800
1k
2k
Vo(V)
5.28
5.76
7.6
7.6
7.6
7.6
7.6
Φ(°)
-86.4
-91
-152
-163
-172
-172
-174
Avp
fc(Hz)
fp(Hz)
Q
理论值
-4.7
110.7Hz
=fc=110.7Hz
0.707
实测值
-3.8
105
0.758
仿真值
-4.68
113
0.688
幅频特性与相频特性图：
图4高通滤波器波特图：
两者串联为带通滤波器：
表3 带通通滤波（级联）器测试结果
静态测试：V+ = V- = Vo = 0 Vcc = 14.7V Vee = 14.3V
动态参数：信号Vpp =1V φ=0
f(Hz)
50
100
300
500
800
1k
2k
Vo(V)
3.24
10.6
15
14.6
12.6
10.6
3.44
Φ(°)
137
87.5
2.3
-31
-65.1
-87.1
-142
Avp
fL(Hz)
fH(Hz)
Q
理论值
18.8
110.7
937.8
0.707
实测值
15
100
1k
0.65
仿真值
18.36
111
951
0.696
图5带通滤波器（级联）波特图：
带通滤波器设计与仿真：
指标设定：Avp = -1 fr = 3kHz BW = 4kHz
计算并选择参数：C = 0.01uF R1=4k R2 = 8k R3 = 31k
指标理论值：Avp = -1 Q = 0.75 fr = 2.99kHz BW = 3.98kHz
图6带通滤波器电路图：
性能测试：
表4 带通滤波器仿真结果
Avp
fL(Hz)
fH(Hz)
BW(Hz)
0.99
1.61k
5.62k
4.01k
幅频特性与相频特性图：
图7带通滤波器波特图：
结果分析
从仿真测试数据看，电路设计基本符合设计目标，但与实测数据之间有误差，低通电路中，主要误差在于Q值的测量，测量过程中注意到同一频率的输出电压多次测量结果均不相等，且电压幅度不大，导致相对误差会比较大，而Q值又是比值的形式，所以会有较大误差。
高通电路中主要是放大倍数测量误差较大，由于在实验时没能找到两个0.47uF的电容，所以其中有一个是通过多个电容串并联而成的。实验时忽略了这一问题，没有测量实际电容大小，而高通电路的放大倍数正是由电容大小决定的，所以这一细节会对电压放大倍数有较大影响。
电路参数对频率特性的影响：
低通：以图1电路为基础进行调节
改变Rf为22k，此时电路频率特性变化不大，主要影响反馈量，从而改变Avp；
从表达式上看，其Q值电阻R1的0次项有关，与R2和Rf的1/2次项有关，所以可通过大幅度改变R2、Rf或者同时改变来影响Q值，以下将Rf和R2同时增大10倍：
然后Q值又分别与C1、C2的1/2次呈正负相关，fc与两者都是负相关，以下分别将C1增大10倍，C2增大10倍，以及同时增大10倍：
可以看出，Q值和fc受到明显影响。
另外也可以看出，改变参数虽然会影响电路特性，但也恰可以利用这一点合理配置参数，可以获得特性更好的电路。
总结
此前提及滤波电路一般就只会想到简单的无源滤波网络，而不会想到结合运放设计有源滤波电路。而且通过这次实验也突然有点明白了之前放大电路实验中测试带宽的意义。感觉这两学期学的知识正在一点点的串到一起。
