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1、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、原理说明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
2、。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型或冗型结构，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：K BsH
3、(s) =ps 2 + Bs +W 20其中各系数为：B =, 2 =( + ), K = 3-R C 0 R C 2 R R p 2 R33121C表征带通滤波器性质的重要参数有三个，分别是：丄：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；0、；RCR卩=：带宽，定义为两个截止频率之差；截止频率D的定义为：转移函数的幅值由最2 1 L c大值下降为最大值的1/P2时的频率，即|H(j )|=H 。2 maxQ = 二一上=:品质因数，定义为中心频率与带宽之比。卩 R CR0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=
4、5，中心频率分别为：1kHz、3kHz、5kHz,对应各元件参数为：C=0.01pF, R1=20kQ，R2=1.8kQ, 3=160kQ。C=0.01pF, R=6.8kO, R2=0.56kQ, R3=56kQ。C=0.01pF, R=3.9kO, R2=0.36kQ, R3=33kQ。2. 反相加法器v = -(v + i + i )反相加法器电路如图2所示,输出为：o R 1 R 2 R 31233.同相放大器4.冋相放大器电路如图3所示，运放模块v = (1f )v输出为：oR inlUaftrc z iJK No ciniTUXiiiJiiInverting inpul 2【nvi
5、rfirig input _ 27 V+乳oninvcil.iiig iiapuL 3 3Nanmvertinj input d 36 OutputV 45n UtdunrcRCDQ 6 )111 PLIIOtTsci Null运放是一种由电阻、晶体管、电容和二极管等组成的有源电路元件。运放集成电路有多种封装形 式，LF356是八脚双列直插封装，如图4(a)所示。图4(b)是运放的电路符号。5个重要的引脚分别为:1. 反相输入端，引脚2；2. 同相输入端，引脚3；3. 输出端，引脚6；4. 正电源端，引脚7；5. 负电源端，引脚4。三、实验任务实验任务包括两大部分，首先利用PSpice软件进行
6、仿真实验(任务1、2)，然后进行操作实验(任 务3、4和5)。5. 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IV，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。6. 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。7. 使用Um=1V，=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
7、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。8. 使用Um=lV,，=lKHz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。9. 使用正弦电压信号源输出，绘制中心频率为lKHz、3KHz、5KHz带通滤波器的幅频特性图。10. *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）。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、预习思考及注意事项1. 了解有源选频电路的
8、基本原理及工作特性。2. 学习和了解PSpice软件的使用方法。3. 实验前，熟读双踪示波器使用说明，特别是观察双踪时，要特别注意开关、旋钮的操作与调节。六、报告要求在仿真实验中：1. 分析激励信号为方波时，三个带通滤波器的输出信号及其fft分析结果及三个输出信号相加后的波 形和fft分析结果。2. 分析激励信号为正弦时，三个带通滤波器的幅频特性曲线。在操作实验中：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；2. 记录三个带通滤波器的输出波形通过反相加法器后的波形和谐波成分的变化；3. 记录中心频率为lKHz、3KHz、5KHz带通滤波器的幅频特性曲线；4. 总结带通滤波
9、器对通过的信号的影响，原信号波形和谐波成分的变化；5. 根据实验结果，总结你对有源滤波器电路工作特性的认识。七、PSpice仿真参考观察时域波形时，仿真参数可设置如下:分析结果举例:15.5ms16.0ms16.5msV(U1:0UT)Time15.0msV(V1:+)17.0ms观察幅频特性时，仿真参数可设置如下:分析结果举例:4.0V2.0V0V100HzV(U1:OUT)1.0KHz10KHz100KHzFrequency如需在output file中记录fft结果，仿真参数可设置如下:左键点击“Output File Options”，进入Transient Output File O
10、ptions设置页面，设置可参考下图。其中Output 栏填写输出信号端。Opt i onsGeneralArL：ilyEiED：qt：a CollectioTLInclude FilesProbe WindowLibr ：fi es I StArL：alyEi s typsTime D orn ai nsecondsQGerLer：al SettingsMorLte C：ii-li：i.i,1 Wurst Cas P：ii_：iiTietrie Sweep JT emp era tar e (Sw e ep ；l OSave B i as F o i nt Luad B i as P o i
11、 ntgtart saving dta. |15mssecondsTr ：=lTle i 包工止 op t i oreM：ecimuiTi 弓tEp|0. 01 msecorulsSkip the： itLitial tr:eltleient bias point calcul：.+ put File DpticiL弓.MFTransient Output File OptionsFrint v：aluee in thm outputJ7 Ser form F uui- iCen t 旺NuiTib er u fer ArLaljsecondsOutput17m帮助I臣 IrLclude dw
12、t ai 1 e d bi as p o i n t irLfoirm tion for norJ.itlh：=q_ coilEom_ceE ：=lTli1此时Output file里会出现如下数据:InsertCtrl+EeleteCtrl+UQ 验谜三FourierFOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(N11127)DC COMPONENT =3.871132E-06HAJJ-IONICNOFP.E QUENCY (HZ)FOTJf!.IERCLIMPUNEMTNORMALIZEDCOMPUMEMTPHASE(DEG)NOFJ-IALIZED
13、PHASE (DEG)1丄.00 0E+031.268E-F00l.i：ii：ii：iE+i：iO8.017E+00i：i.i：ii：ii：iE+i：ii：i22-LILILIE+LI32403E-061.895E-062.915E+00-1.312E+LH33000E+034481E-013.533E-LH-2.552E+00-2.660E+0144,i：ii：ii：iE+i：i32510E-061.979E-066.373E+013.166E+LH55000E+032.841E-012240E-01-3.303E+01-7.311E+0166-LILILIE+LI33.332E-062.6
14、27E-062.333E+01-2.477E+LH77000E+037.2LI4E-025.681E-02-7.876E+01-1.349E+0288.000E+032.019E-061.592E-062-945E+U1-3.468E+0199000E+033609E-022846E-02-8.340E+U1-1.556E+0210丄.LILILIE+LI41.616E-061.274E-U63.769E+01一也.248E+01TOTALHARMONIC DISTORTION =4.231378E+O1PERCENT如果需要将fft结果以图形表示，可以在probe页面中设置如下:it View SimulationTrace 21 ot Tools Window HelpU Add T日ci .Delete All TraoesndeletE Traces更改横轴设置:Axis Settingso丄 0DE3zV（U4： OUT）gy?ro_2cSCHEMA1.5U -|; 、a菇LabelAdd Plot tn W ndow Dcl.
