有源滤波电路——带通滤波器

实验报告

专业：______ 姓名：______ 学号：________ 日期：__________ 桌号：________________

课程名称： 电路原理实验 指导老师： 成绩：________________ 实验名称： 有源滤波电路——带通滤波器

一、实验目的

1. 掌握有源滤波电路的基本概念，了解滤波电路的选频特性、通频带等概念，加深对有源滤波电路的认识和理解。

2. 用Pspice 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。

3. 根据给定的带通滤波器结构和元件，分析三种不同中心频率的带通滤波器电路的工作特点及滤波效果，分析电路的频率特性。

4. 实现给定方波波形的分解和合成。

二、实验原理

滤波器是一种二端口网络，它的作用是允许某频率范围的信号通过，滤掉或抑制其他频率的信号。允许通过的信号频率范围称为通带，其余信号的频率范围称为阻带。许多通过电信号进行通信的设备，如电话、收音机、电视和卫星等都需要使用滤波器。严格的说，实际的滤波器并不能完全滤掉所选频率的信号，只能衰减信号。

无源滤波器通常由RLC 元件组成，一般采取多节T 型或π型结构，制造难，成本高，特别是电感元件的重量和体积都很大。用RC 元件与运放集成块构成的有源滤波器，不用电感线圈，因此广泛用于工程电路。此外，运放的开环电压增益很大，输入阻抗高，输出阻抗低，组成的滤波器有一定的放大、隔离和缓冲作用。

相比于无源滤波器，有源滤波器有许多优点：可以按要求灵活设置增益，并且无论输出端是否带载，滤波特性不变，这也是有源滤波较无源滤波得到更广泛应用的原因。

1. 带通滤波器电路

图1所示为一个无限增益多路反馈带通滤波器电路，传递函数为：

其中各系数为：

表征带通滤波器性质的重要参数有三个，分别是：

中心频率，也即谐振频率，带通滤波器在中心频率处转移函数的幅值最大。

带宽，定义为两个截止频率之差；截止频率ωc的定义为：转移函数的幅值由最大值下降为最大值的时的频率，即

品质因数，定义为中心频率与带宽之比。

带通滤波器的增益Kp定义为传递函数在中心频率处的幅值增益。

三个带通滤波器设计为：Kp=4，Q=5，中心频率分别为：1kHz，3kHz，5kHz，对应各元件参数为：

C=0.01μF，R1=20kΩ，R2=1.8kΩ，R3=160kΩ。

C=0.01μF，R1=6.8kΩ，R2=0.56kΩ，R3=56kΩ。

C=0.01μF，R1=3.9kΩ，R2=0.36kΩ，R3=33kΩ。

2. 反相加法器

反相加法器电路如图2所示，输出为：

三、实验接线图

四、实验设备

1. 信号源；

2. 动态实验单元——滤波器组件；

3. 示波器；

五、实验步骤

1. 利用PSpice软件，对给出的三个带通滤波器的工作特性进行仿真分析。输入信号选择幅值为1V，f=1KHz的方波电压。观察一个方波信号分别通过三个带通滤波器后，波形和谐波成分的变化。

2. 利用PSpice软件进行仿真分析，计算正弦信号分别通过三个带通滤波器时的幅频特性。

3. 使用Um=1V，f=1KHz的方波电压信号源输出，连接到动态电路板的输入端，将激励源和带通滤波器的输出端分别连至示波器的两个输入口YA和YB，这时可在示波器的屏幕上同时观察到激励与响应的变化规律。分别选择三个不同中心频率的带通滤波器，观察并记录此时的输出信号的变化；对滤波后的信号分别作fft分析，观察信号中谐波成分的变化情况。

4. 使用Um=1V，f=1KHz的方波电压信号源输出，将三个带通滤波器的输出连接到反相加法器的输入端，观察并记录反相加法器输出端信号，并对此信号分别作fft分析，观察信号中谐波成分的变化情况。

5. 使用正弦电压信号源输出，绘制中心频率为1KHz、3KHz、5KHz带通滤波器的幅频特性图。

6. 选做内容：将可调电阻接入反相加法器的反馈回路，定性地观察当此电阻变化时，加法器输出

信号的变化（输出饱和现象）。

六、实验数据记录

1. 记录原始波形分别通过三个带通滤波器后，波形和谐波成分的变化

C=0.01μF，R1=20kΩ，R2=1.8kΩ，R3=160kΩ。

5.0V

0V

-5.0V

15.0ms15.5ms16.0ms16.5ms17.0ms

V(V1:+)V(U5A:OUT)

Time

6.0V

4.0V

2.0V

0V

0Hz5KHz

V(V1:+)V(U5A:OUT)

Frequency

图为输入谐波成分

图为输出谐波成分

C=0.01μF，R1=6.8kΩ，R2=0.56kΩ，R3=56kΩ。

15.0ms15.5ms16.0ms16.5ms17.0ms

V(V1:+)V(U5A:OUT)

Time

Frequency

0Hz5KHz10KHz13KHz V(V1:+)V(U5A:OUT)

0V

0.5V

1.0V

1.5V

2.0V

图为输入谐波成分

图为输出谐波成分

C=0.01μF，R1=3.9kΩ，R2=0.36kΩ，R3=33kΩ。

Time

15.0ms15.5ms16.0ms16.5ms17.0ms

V(V1:+)V(U5A:OUT)

-2.0V

-1.0V

0V

1.0V

2.0V