实验六 自制RC有源滤波电路

实验六 自制RC 有源滤波电路
一 实验目的
1.掌握由运算放大器与电阻、电容构成的RC 有源滤波器的电路原理；
2.掌握滤波器幅频特性的测试方法。

二 实验原理及实验参考电路
滤波电路是一种选频电路, 它是一种能使有用频率的信号通过, 而同时对无用频率的信号进行衰减的电子装置。

本实验采用宽带集成运算放大器LF353和电阻、电容构成RC 有源滤波电子装置。

根据频率特性的基本知识可知, 滤波电路的阶数越高, 过渡带将越窄, 滤波特性越接近理想滤波器的滤波特性, 而高于二阶的滤波电路可以由一阶和二阶滤波电路构成, 本实验制作RC 二阶有源滤波电路。

1.压控电压源二阶低通滤波电路 电路如图1所示。

图 1 压控电压源二阶低通滤波电路
实验电路中R1=R2=4.7k(, R3=1k(, R4=586(, C1=C2=10nF(涤仑电容103)。

电路传递函数为
式中通带放大倍数3
4
1R R A up +
=。

电压放大倍数为
20)
3()(1)(f f A j f f A f A up up
u -+-=
式中特征频率RC
f π210=
令 , Q 称为该滤波电路的品质因数。

电路的幅频特性与品质因数的取值相关, 如图2所示。

图2 压控电压源二阶低通滤波电路的幅频特性
实验电路中通带放大倍数
品质因数Q=1/（3-Aup ）=1/(3-1.586)=0.707, 称为巴特沃思滤波器, 电路的上限截止频
率fH 则刚好等于特征频率f0。

图1所示电路中如果品质因数Q 1, 则电路的上限截止频率可大于特征频率。

由图2可知Q 大于1的幅频特性曲线的过渡带更陡, 幅频特性更好。

2.压控电压源二阶高通滤波电路 电路如图3所示。

586
.11000
586
1134=+=+=R R A up
图3 压控电压源二阶高通滤波电路
实验电路中R1=R2=56k(, R3=1k(, R4=586(, C1=C2=10nF(涤仑电容103)。

电路传递函数为
上式中通带放大倍数
3
4
1R R A up +
= 电压放大倍数为
为使电路不产生自激振荡, 应使 即通带放大倍数 。

特征频率RC
f π21
0=
令 , Q 称为电路的品质因数。

电路的幅频特性与品质因数的取值相关。

实验电路中通带放大倍数
2
020)
(1)()(f f Qf f j f f A f A up
u -+=2
2
)()3(1)()(sRC sRC A sRC A s A up up
u +-+= 586
R
品质因数Q=1/（3-Aup ）=1/(3-1.586)=0.707, 称为巴特沃思滤波器, 电路的下限截止频率fL 则刚好等于特征频率f0。

3.二阶带通滤波电路
设低通滤波器的上限截止频率为f H ,高通滤波器的下限截止频率为f L ,若f L <f H ,则将低通滤波器和高通滤波器串联可得到带通滤波器。

实验电路将图1电路与图3电路串联起来, 获得带通滤波电路, 则带通滤波
电路的下限截止频率
Hz f L 284≈
上限截止频率
Hz f H 3387≈
中心频率
Hz f f f H L 98133872840=⨯≈=。

该滤波电路可作为语音滤波电路, 因为语音信号频率为300~3400Hz 。

此滤波电路为四阶有源带通滤波电路, 其优点在于电路设计简单, 但滤波特性不够理想, 即过滤带较宽, 高质量的滤波电路应采用四阶以上的滤波电路。

三 实验仪器
DDS 函数信号发生器（型号: TFG2003） 双踪示波器（型号: SS-7802A ） 数字万用表（型号: DT9205N ）
四 实验内容
1.制作低通滤波器及高通滤波器。

2.测量低通滤波器的幅频特性。

3.测量高通滤波器的幅频特性。

4.测量带通滤波器的幅频特性。

五 实验步骤
1.由图1和图3分别制作压控电压源二阶低通滤波电路及压控电压
源二阶高通滤波电路, 运放使用宽带双集成运算放大器LF353。

LF353引脚如下图所示。

)(28410
10105628.61
219
30Hz RC πf f L ≈⨯⨯⨯⨯==
=-
正负电源分别使用+12V和-12V, 注意两个电源引脚都需接二个退耦电容（0.1(和10(）。

低通滤波电路与高通波电路的运放分别用1,2,3脚和5,6,7脚。

2.低通滤波器幅频特性测试。

将信号源输出信号调为正弦信号, 其输出幅度的峰-峰值Usp-p为2V, 频率置为100Hz, 用示波器观察输出信号, 若观察到输出端有放大的正弦信号（放大倍数约为1.568）, 说明电路正常。

先测量滤波器的上限截止频fH（注意与理论值比较）,再按数据记录表1测试该电路的幅频特性。

在座标纸上画出幅频特性曲线（横轴用f,纵轴用电压增益, 提示：可用origin软件或其它画图软件画图, 将图形打印输出贴在实验报告上。

）（此内容在写实验报告时做）。

3.高通滤波器幅频特性测试。

将信号源输出信号调为正弦信号, 其输出幅度的峰-峰值Usp-p为2V, 频率置为5kHz, 用示波器观察输出信号, 若观察到输出端有放大的正弦信号（放大倍数约为1.568）, 说明电路正常。

先测量滤波器的下限截止频fL（注意与理论值比较）,再按数据记录表2测试该电路的幅频特性。

在座标纸上画出幅频特性曲线（横轴用f,纵轴用电压增益, 提示：可用origin软件或其它画图软件画图, 将图形打印输出贴在实验报告上。

）（此内容在写实验报告时做）。

4.带通滤波器幅频特性测试。

将低通滤波器的输出与高通滤波器的输入连接起来, 则电路成为带通滤波器。

将信号源输出信号调为正弦信号, 其输出幅度的峰-峰值Usp-p为2V, 频率置为1kHz（约为中心频率）, 用示波器观察输出信号, 若观察到输出端有放大的正弦信号说明电路正常。

记录下中心频率对应的输出信号幅度, 据此测量上、下限截止频fH和fL（注意与理论值比较）,最后按数据记录表3测试该电路的幅频特性。

在座标纸上画出幅频特性曲线（此内容在写实验报告时做）。

六注意事项
1.LF353的正负电源可使用实验五的正负电源。

2.滤波电容一定要使用涤纶电容, 电容数值的准确度才会高, 截止频率的测量与理论值才会接近。

3.在撰写实验报告中, 注意将实验结果与理论分析进行比较。

七思考题
1.为什么高阶滤波电路的滤波特性更好？
2.请写出图1电路传递函数的推导过程。

参考教材
1.《电子技术基础实验—电子电路实验·设计·仿真》（第二版）, 华中理工大学电
子学教研室编, 陈大钦主编, 高等教育出版社, 2000年6月
2.《电子技术基础实验与课程设计》（第二版）, 高吉祥主编, 电子工业出版社, 2005 年2月
3.《模拟电子技术基础》（第四版）
清华大学电子学教研组编华成英童诗白主编, 高等教育出版社, 2006年5月
2013.5.
数据记录表1 低通滤波电路幅频特性测试(V U V U p ip p sp =
=--，2）
实测f H = Hz A up =
数据记录表2 高通滤波电路幅频特性测试（V U V U p ip p sp =
=--，2）
L up
数据记录表3 带通滤波电路幅频特性测试（V U V U p ip p sp =
=--，2）
L f H = Hz f 0= Hz A up =。