实验五滤波器的频率特性测试

实验五 滤波器的频率特性测试

一. 实验目的

1． 了解无源和有源滤波器的类型、电路结构、工作原理和特性，比较其性能的不同点。

2． 通过对滤波器频率响应特性的测试，掌握对元件或系统做频率特性测试的方法。

二. 实验所需仪器及元器件

THM-6模拟电路实验箱、直流稳压电源、双踪示波器、数字万用表、 信号发生器、交流毫伏表、运算放大器、电阻、电容、连接线。

三. 实验原理

实验装置及仪器连接方法见图1所示，其中滤波器实验电路可根据实验内容的不同在THM-6模拟电路实验箱接插成不同的滤波器。信号发生器输出幅值恒定、频率可调的正弦波电压作为滤波器的输入信号u i ，由交流毫伏表测量其幅值。在每一给定频率下，从交流毫伏表读出输出电压u o ，从双踪示波器读出u o 滞后u i 的时间，由此可计算两者相位差。直流稳压电源为有源滤波器的运算放大器提供±12V 电源。

图1 滤波器频率特性测试系统框图

四.实验内容及步骤

1．实验内容

⑴ RC 无源一阶低通滤波器的频率特性测试

电路如图2所示，如果负载电阻R L = ∞，其幅频特性和 相频特性分别为

()A ω= ()()arctg Φωωτ=-

式中，时间常数：RC τ=，截止频率：(

)12c f RC π=

⑵ RC 有源一阶低通滤波器的频率特性测试

电路如图3所示，其幅频特性和相频特性分别为

()A ω= ()()arctg Φωωτ=-

式中，时间常数：RC τ=， 11f K R R =+

图3 有源滤波电路

U o U R R =10k ΩR 1=10k ΩR f =10k ΩR L =1k Ω

C= 0.05μ F 图

2 无源滤波电路

R =10k ΩR L =1k Ω

C= 0.05μ F R L

2．实验步骤

两个实验对象虽然不同，但均为测试滤波器的幅频和相频特性，因此，实验方法及步骤相同。

⑴按图2在THM-6模拟电路实验箱上选择C元件和外接电阻R，用万用表测量R、C元件

的实际值：C= ，R= ，计算截止频率f c= 。

按图2接线，插入电阻R，但先不接入负载电阻R L。

⑵按图1连接测试系统，由信号发生器输出幅值恒定的正弦信号（约1V），按表1不断改变

信号频率，由交流毫伏表读出输入和输出信号的幅值，用双踪示波器监测输入和输出波形，读出输入与输出信号的时间差，并计算两者的相位差，填入表1。

⑶按图2接线，接入负载电阻R L，重复上述实验，记录相关数据。

⑷按图3，在THM-6模拟电路实验箱上选择C元件和外接电阻R、R1、R f、，用万用表测量

R、R1、R f的实际值：R= ，R1= ，R f = ，计算截止频率f c= 和放大增益K= 。

⑸关闭模拟电路实验箱电源，按图3接线，插入各电阻，但先不接入负载电阻R L，认真检

查并确认接线无误后，接通实验箱电源，重复实验⑵，记录相关数据。

⑹关闭实验箱电源，按图3接线，接入负载电阻R L，重复上述实验，记录相关数据。

表1 实验数据

五. 实验前准备工作及实验注意事项（实验前必须认真阅读并完成相关内容）

1．根据图2，计算理论截止频率f c= ，并按表1的f/f c关系，填写待测点的输入信号频率f。

2．阅读双踪示波器的使用说明，了解其使用方法，思考如何用它测量并计算两信号的相位差，其计算式应为：φ = 。

3．复习课本有关滤波器的章节，根据图2，推导出带负载的无源一阶低通滤波器的频率特

性函数公式，幅频特性： ，幅频特性： 。 4．根据图2，计算无负载和有负载的无源一阶低通滤波器的理论频率特性，填入下表。

表2 理论计算数据

5．OP07运算放大器的引脚说明：

调零端

调

零正电负电源

正输入

负输入

正输N.C.

六. 实验报告内容

1. 根据实验数据，重新设计表格（应包括理论值、实测值的幅频值和相频值），计算各组数据的理论值与实测值的幅值误差，并在直角坐标纸上分别画出无源滤波器和有源滤波器的理论频率特性曲线和实测频率特性曲线（幅频曲线和相频曲线）。

2. 从实测值的幅频曲线上找出截止频率，与理论值比较，分析误差产生原因。

3. 根据实验结果，简述无源滤波器和有源滤波器的区别。

4. 如果要减小有源滤波器实验电路的零漂，电路应如何改动？画出电路，并简要说明有源滤波器实验电路对直流电源有何要求？。

5. 实验数据是否有异常？若有，试分析原因。

6. 本实验的收获和心得，有何建议？

注意：运算放大器同样具有工作截止频率（即最高不失真工作频率），在有源滤波器实验中，提高输入信号频率，可在示波器上观察到失真的输出波形，试确定OP07的工作截止频率。