信号与系统实验-模拟滤波器

信号与系统分析实验实验四模拟滤波器实验一、实验目的1、掌握低通无源滤波器的设计；2、学会将无源低通滤波器向带通、高通滤波器的转换；3、了解常用有源低通滤波器、高通滤器、带通滤波器、带阻滤波器的结构与特性；4、了解巴特沃思低通滤器与切比雪夫低通滤波器的特点；5、学会用信号源与示波器测量滤波器的频响特性。二、预备知识1、学习“模拟滤波器的逼近”；2、系统函数的展开方法；3、低通滤波器的结构与转换方法；二、预备知识预习报告中回答以下问题：1、实际中常用的滤波器电路类型有哪些，有何特点？2、有源滤波器、无源滤波器的概念，优缺点和各自的应用场合？3、绘出低通、带通、带阻、高通四种滤波器的理想频响曲线及实际频响曲线，两者有何根本区别，产生原因？三、实验原理模拟滤波器根据其通带的特征可分为：（1）低通滤波器：允许低频信号通过，将高频信号衰减；（2）高通滤波器：允许高频信号通过，将低频信号衰减；（3）带通滤波器：允许一定频带范围内的信号通过，将此频带外的信号衰减；（4）带阻滤波器：阻止某一频带范围内的信号通过，而允许此频带以外的信号衰减；三、实验原理各种滤波器的频响特性图：(c)带通滤波电路(d)带阻滤波电路(a)低通滤波电路(b)高通滤波电路三、实验原理在这四类滤波器中，又以低通滤波器最为典型，其它几种类型的滤波器均可从它转化而来。对于模拟低通滤波器的设计方法，一般是通过逼近的设计方法。在最常用的滤波器中又以巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器最常用。三、实验原理1、巴特沃思滤波器其频响特性为：特点：1）最大平坦性：其滤波器在0频点处附近一段范围内是非常平直的，它是以原点的最大平坦性来逼近理想低通滤波器；2）通带、阻带下降的单调性；3）具有良好的相频特性；4）3dB的不变性：随N的增加，频带边缘下降越陡峭，越接近理想特性。但不管N是多少，幅频特性都通过3dB点。222))(11(|)(|NcajH三、实验原理2、切比雪夫滤波器其频响特性为：特点：1）所有曲线通过（，）点，因而把定义为切比雪夫滤波器的截止角频率；2）在通带内，在1和之间变化；在通带外，单调下降；3）通带内波动均匀性；4）相位的非线性特性。22222))(11(|)(|NcNaTjHc2211NTc1c)(jHa2211NTcΩ1四、实验仪器1、JH5004“信号与系统”实验箱一台；2、20MHz示波器一台；3、低频信号源（0Hz～2MHz）一台；五、实验模块说明五、实验模块说明该模块上一共设计了四个无源滤波器与六个有源滤波器，下面从上到下、从左到右逐一介绍滤波器的类型：（1）四阶无源巴特沃思低通滤波器；（2）四阶无源巴特沃思带通滤波器；（3）六阶无源巴特沃思低通滤波器，其3dB点在2MHz；（4）六阶无源巴特沃思高通滤波器，其过渡频率在2MHz；（5）二阶有源巴特沃思低通滤波器，其3dB点在50KHz；（6）二阶有源巴特沃思高通滤波器，其3dB点在50KHz；（7）二阶有源巴特沃思带通滤波器，其中心频点在64KHz；（8）二阶有源巴特沃思带阻滤波器，其中心频点在32KHz；（9）二阶有源切比雪夫低通滤波器，其3dB点在32KHz；（10）八阶有源切比雪夫低通滤波器，其3dB点在3400Hz。六、实验步骤1、无源滤波器的测量：（1）四阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量（A）3dB频点测量：首先用低频信号源产生一1KHz的正弦信号，测量四阶无源巴特沃思低通滤波器在该频点的输出幅度；然后不断增加信号源的输出频率，当滤波器输出信号的幅度为原来的0.707时，低频信号源的频率即为该滤波器的3dB频点。（B）滤波器的频响特性测量：用低频信号源产生一正弦信号，然后不断增加信号源的输出频率（20KHz一个步进），测量相应频点滤波器输出信号的幅度，并记录下来。以频率与输出幅度（可换算成相对0点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为该滤波器频响特性曲线。六、实验步骤（2）四阶无源巴特沃思带通滤波器特性测量（A）带通滤波器中心频点测量：首先用低频信号源产生一正弦信号，改变信号源的输出频率，当滤波器输出信号的幅度为最大，低频信号源的频率即为该带通滤波器的中心频点。（B）带通滤波器的频响特性测量：用低频信号源产生一正弦信号，其频率在带通滤波器中心频率附近。然后不断增加或减少信号源的输出频率（20KHz一个步进），测量相应频点的滤波器输出信号的幅度，并记录下来。以频率与输出幅度（可换算成相对0点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为该滤波器频响特性曲线。六、实验步骤（3）六阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量：（A）3dB频点测量：方法同四阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量。（B）滤波器的频响特性测量：方法同四阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量。（4）六阶无源巴特沃思高通滤波器特性测量：（A）3dB频点测量：首先用低频信号源找出六阶无源巴特沃思高通滤波器在高端频率点的输出幅度（在该频点附近信号输出保持不变），以该点的输出信号幅度为参考。降低信号源的输出频率，当滤波器输出信号的幅度为参考输出幅度的0.707时，低频信号源的频率即为该高通滤波器的3dB频点。（B）滤波器的频响特性测量：用低频信号源产生一正弦信号，然后不断增加信号源的输出频率（20KHz一个步进），测量相应频点的滤波器输出信号的幅度，并记录下来。以频率与输出幅度（可换算成相对0点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为该滤波器频响特性曲线。六、实验步骤2、有源滤波器特性测量：（1）二阶有源巴特沃思低通滤波器特性测量：测量方法自拟。（2）二阶有源巴特沃思高通滤波器特性测量：测量方法自拟。（3）二阶有源巴特沃思带通滤波器特性测量：测量方法自拟。（4）二阶有源巴特沃思带阻滤波器特性测量：测量方法自拟。（5）二阶有源切比雪夫低通滤波器特性测量：测量方法自拟。（6）八阶有源切比雪夫低通滤波器特性测量：测量方法自拟。注：选作1、2、4。七、思考问题1、指出四阶无源巴特沃思低通滤波器特性与六阶无源巴特沃思低通滤波器特性的差异，并说明其原因？2、指出二阶有源巴特沃思低通滤波器特性与二阶有源切比雪夫低通滤波器特性的差异，并说明原因？3、结合预习问题、实验所得数据，探讨衡量滤波器的性能参数有哪些（以理想滤波器为评价标准），说明每个参数的引入原因。4、实验体会（知识领会、实践能力）。八、报告要求一、预习报告实验前应认真阅读实验指导书，明确实验目的，了解实验原理、内容，掌握实验步骤及注意事项，并写出预习报告，内容包括：1、实验目的；2、实验仪器、设备连接方框图，并标明测试点；3、实验记录表格及测试步骤；4、实验指导书上规定的其它内容。八、报告要求二、总结报告1、实验仪器名称、型号和编号；2、实验数据整理、实验现象分析；3、实验方法及仪器使用总结；4、问题讨论；实验报告在实验完成后一周内交给指导教师，一律用采用学校统一的《学生实验报告》书写，装订成册，实验波形一律在坐标方格纸上由绘图尺完成。