哈工大模电自主设计实验RC有源滤波器.docx

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哈工大模电自主设计实验RC有源滤波器

姓名班级学号

实验日期节次教师签字成绩

实验名称RC有源滤波器的研究

1.实验目的

（1）熟悉由集成运放和阻容元件组成的有源滤波器的原理。

（2）学习RC有源滤波器的设计，学会测量有源滤波器幅频特性。

2.总体设计方案或技术路线

由阻容元件和运算放大器组成的滤波电路称为RC有源滤波器。

由于集成运放有限带宽的限制，目前RC有源滤波器的工作频率较低，一般不超过1MHz。

（1）低通滤波器

低通滤波器用来通过低频信号，衰减或抑制高频信号。

二阶有源低通滤波器由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，第一级电容接至输出端，引入适量正反馈，以改善幅频特性。

设计电路图如下所示，改变输入信号频率，记录输出信号幅值及放大倍数，先测量出一组幅频特性曲线，再改变电阻Rf的值，记录数据，得到新的幅频特性曲线，再进行对比。

（2）高通滤波器

高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。

只要将低通滤波器中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器。

高通滤波器的性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜像”的关系。

设计电路图如下所示，改变输入信号频率，记录输出信号幅值及放大倍数，先测量出一组幅频特性曲线，改变电阻Rf的值，记录数据，得到新的幅频特性曲线，再进行对比。

本实验主要研究低通滤波器和高通滤波器的幅频特性，截止频率和品质因数，以及改变电路参数对滤波效果的影响。

3.实验电路图

（1）低通滤波器设计电路图（由Multisim7绘制）

（2）高通滤波器设计电路图

4.仪器设备名称、型号

实验电路板

双踪示波器

双路直流稳压电源

函数信号发生器

数字万用表

导线若干

5.理论分析或仿真分析结果

（1）低通滤波器

R4=10kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示

用光标测量法测得截止频率为2.0314kHz

当R4=12kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示

用光标测量法测得截止频率为2.2220kHz

当R4=15kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示

用光标测量法测得截止频率为2.4108kHz

（2）高通滤波器

R4=10kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示

用光标测量法测得截止频率为1.2514kHz

R4=12kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示

用光标测量法测得截止频率为1.1526kHz

R4=15kΩ时幅频特性曲线和相频特性曲线如下所示

用光标测量法测得截止频率为1.0527kHz

6.详细实验步骤及实验结果数据记录（包括各仪器、仪表量程及内阻的记录）

（1）检查导线通断，仪器仪表是否正常。

（2）按低通滤波器电路图连接好电路，接通电源，输入端接信号发生器，输出端接示波器ch1,示波器ch2接口接信号发生器。

（3）令其输出幅度为1V的正弦波信号，在滤波器截止频率附近改变输入信号频率，观察电路是否具有低通特性，如不具备，应排除电路故障。

（4）用示波器观察输出电压幅度的变化，记录相应的频率和幅度到表格，根据表格数据描绘出幅频特性曲线。

（5）找出曲线上截止频率的那一点，记录截止频率的值，并与理论值进行比较，说明误差原因。

（6）对高通滤波器的研究重复上述过程即可。

实验数据整理：

二阶低通滤波器幅频特性测试记录

（1）R4=10kΩ时输入幅度1.0V

f/Hz

10

100

200

400

600

1000

1200

1400

1500

1800

1.87k

2.0k

2.5k

3.0k

4.0k

8.0k

10k

Uo/V

2.01

2.01

2.01

2.05

2.09

2.13

2.09

1.93

1.81

1.45

1.41

1.25

0.84

0.6

0.36

0.16

0.08

截止频率=1.87kHz通带增益=2.01

依据表格描绘出幅频特性曲线

（2）R4=12kΩ时输入幅度1.0V

f/Hz

10

100

500

800

1000

1.2k

1.5k

1.8k

2.0k

2010

2.2k

2.8k

3.5k

5.0k

6.0k

8.0k

9.0k

Uo/V

2.21

2.21

2.29

2.49

2.57

2.61

2.37

1.89

1.57

1.55

1.29

0.8

0.52

0.28

0.24

0.16

0.12

截止频率=2.010kHz通带增益=2.21

依据表格描绘出幅频特性曲线

（2）R4=15kΩ时输入幅度1.0V

f/Hz

100

200

500

800

1000

1.2k

1.4k

1.8k

2.0k

2290

2.3k

2.5k

3.0k

4.0k

6.0k

7.0k

10k

Uo/V

2.49

2.53

2.69

3.1

3.5

3.86

4.02

2.93

2.29

1.77

1.61

1.29

0.84

0.48

0.32

0.2

0.12

截止频率=2.229kHz通带增益=2.49

依据表格描绘出幅频特性曲线

二阶高通滤波器幅频特性测试记录

（1）R4=10kΩ时输入幅度1.0V

f/Hz

250

500

800

1.0k

1.2k

1233

1.3k

1.5k

1.8k

2.0k

2.2k

3.0k

4.0k

5.0k

6.0k

7.0k

8.0k

Uo/V

0.06

0.217

0.58

0.9

1.37

1.41

1.53

1.85

2.09

2.17

2.25

2.17

2.09

2.09

2.01

2.01

2.01

截止频率=1.233kHz通带增益=2.01

（2）R4=12kΩ时输入幅度1.0V

f/Hz

300

500

800

900

1k

1146

1.2k

1.5k

1.8k

2.0k

2.5k

3.0k

4.0k

5.0k

7.0k

9.0k

10k

Uo/V

0.092

0.245

0.84

1.12

1.17

1.56

1.69

2.43

2.75

2.77

2.63

2.53

2.37

2.29

2.25

2.21

2.21

截止频率=1.146kHz通带增益=2.21

（2）R4=15kΩ时输入幅度1.0V

f/Hz

300

500

800

1.0k

1051

1.1k

1.3k

1.5k

2.0k

2.5k

3.0k

4.0k

5.0k

6.0k

7.0k

9.0k

10k

Uo/V

0.11

0.29

0.84

1.53

1.77

2.01

3.26

4.42

4.26

3.50

3.14

2.81

2.69

2.61

2.57

2.53

2.49

截止频率=1.051kHz通带增益=2.49

7.实验结论

对于RC二阶有源滤波器，通带增益为Au=1+Rf/R1，本电路图中R4=Rf，故R4=10kΩ时，通带增益2.0，R4=12kΩ时，通带增益为2.2，R4=15kΩ时，通带增益2.5，所以通带增益测量数据基本准确。

对于低通滤波器，低频时信号可以通过，高频时信号受到抑制，测得R4=10kΩ时的截止频率为1870Hz，R4=12kΩ时的截止频率为2010Hz，R4=15kΩ时的截止频率为2229Hz，与仿真结果基本一致。

幅频特性会在某一点达到极大值，这是因为在这一点频率附近的正反馈作用最强，使该频段的闭环增益最大，另外，随着R4的增大，幅频特性曲线被抬升的程度明显增大，极值处更加尖锐。

品质因数Q=1/（3-AU），由以上曲线图可以看出，Q越大，幅频特性的极大值处更尖锐。

对于高通滤波器，高频时信号可以通过，低频时信号受到抑制，测得R4=10kΩ时的截止频率为1233Hz，R4=12kΩ时的截止频率为1146Hz，R4=15kΩ时的截止频率为1051Hz，与仿真结果基本一致。

与低通滤波器相似，它的幅频特性也会在某一点达到极大值，这是因为在这一点频率附近的正反馈作用最强，使该频段的闭环增益最大，另外，随着R4的增大，幅频特性曲线被抬升的程度明显增大，极值处更加尖锐。

品质因数Q=1/（3-AU），由以上曲线图可以看出，Q越大，幅频特性的极大值处更尖锐。

8.实验中出现的问题及解决对策

连电路时发现0子板上没有12kΩ的电阻，于是采用了10kΩ与2kΩ串联的方式。

第一次连好电路图后未能在示波器上看到输出波形，经过检查发现有有一条导线接触不良，更换导线后即看到波形完整地显示在屏幕上。

9.本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议

本次实验使我的自主设计能力、动手能力和解决问题的能力得到了一定的提升，通过自己操作整个实验加深了我对所学模拟电子技术基础知识的理解，经过老师的讲解我发现了自己的不足之处并进行改正，高效地提升了能力。

希望实验室多安排一些值班老师和助教，可以同时帮助更多的同学解决问题。

10．参考文献

《模拟电子技术基础》主编王淑娟高等教育出版社

《电子技术基础实验教程》主编廉玉欣机械工业出版社