无源滤波器的研究
长沙学院课程设计说明书
题目无源滤波器
系(部) 电信系
专业(班级) 电气工程
姓名阳喜成
学号2010012120
指导教师刘亮.龙英.
起止日期2011.12.5~2011.12.9
模拟电路课程设计任务书
一．设计题目
无源滤波器电路设计
二．技术参数和设计要求
1. 技术参数
1)了解4种无源滤波器的功能，熟悉无源滤波器的构造。
2)根据测试数据，简要说明电路的工作原理及本电路能达到的实用功能；
3)采用Multisim软件完成4种滤波器电路设计，要求仿真通过：
a).低通滤波器 b).高通滤波器 c).带通滤波器 d).带阻滤波器
2. 设计要求
(1)求出所设计滤波器各参数：
低通滤波器、高通滤波器：截止频率。
带通滤波器、带阻滤波器：中心频率、带宽、品质因素。
(2)计算并选择电路元件及参数；
(3)仿真调试电路；
(4)撰写设计报告及使用说明书。
三．设计工作量
设计时间一周，2011年下学期进行。
四．工作计划
星期一：布置设计任务，查阅资料；
星期二~星期四：设计方案论证，进行电路设计，计算并选择电路元件及参数；
星期五：撰写设计报告及使用说明书，进行个别答辩。
五．参考资料
1．彭介华，《电子技术课程设计指导》，北京：高等教育出版社，1997；
2．高吉祥，《电子技术基础实验与课程设计》，北京：电子工业出版社，2005；
3．童诗白，《模拟电子技术基础》，北京：高等教育出版社，1988；
4．康华光，《电子技术基础——模拟部分》，北京：高等教育出版社，2006 5．本课程教材
六．指导教师
马凌云刘亮龙英
七．系部审批
长沙学院课程设计鉴定表
目录
一实验目的 (1)
二无源滤波器 (1)
三实验原理 (1)
四实验内容 (2)
4.1二阶无源低通滤波器 (2)
4.2二阶无源低通滤波器 (5)
4.3二阶带通滤波器 (7)
4.4 二阶带阻滤波器 (10)
五心得体会 (13)
六参考文献 (13)
无源滤波器的研究
一、实验目的
1．掌握测定R 、C 无源滤波器的幅频特性的方法。
2．了解由R 、C 构成的一些简单的二阶无源滤波电路及其特性。 3．通过理论分析和实验测试加深对无源滤波器的认识。
二、实验原理
滤波器是一种选择装置，它对输入信号进行加工和处理，从中选出某些特定的信号作为输出。电滤波器的任务是对输入信号进行选频加权传输。
电滤波器是Campbell 和wagner 在第一次世界大战期间各自独立发明的，当时直接应用于长途载波电话等通信系统。电滤波器主要由无源元件R 、L 、C 构成，称为无源滤波器。 滤波器的输出与输入关系通常用电压转移函数H(S)来描述，电压转移函数又称为电压增益函数，它的定义如下
)
()
()(0S U S U S H i =
式中U O (S)、U i (S)分别为输出、输入电压的拉氏变换。在正弦稳态情况下，S=j ω，电压转移函数可写成
)(0)()
()()(ωφωωωωj i e j H j U j U j H ==
?
?
式中H j ()ω表示输出与输入的幅值比，称为幅值函数或增益函数，它与频率的关系称为幅频特性；Φ(ω)表示输出与输入的相位差，称为相位函数，它与频率的关系称为相频特性。幅频特性与相频特性统称滤波器的频率响应。滤波器的幅频特性很容易用实验方法测定。
本实验仅研究一些基本的二阶滤波电路。滤波器按幅频特性的不同，可分为低通、高通、带通和带阻和全通滤波电路等几种，图附录1—1给出了低通、高通、带通和带阻滤波电的典型幅频特性。
低通滤波电路，其幅频响应如图附录1—1(a)所示，图中|H(j ωC)|为增益的幅值，K 为增益常数。由图可知，它的功能是通过从零到某一截止频率ωC 的低频信号，而对大于ωC 的所有频率则衰减，因此其带宽B=ωC 。
高通滤波电路，其幅频响应如图附录1—1(b)所示。由图可以看到，在0<ω<ωC 范围内的频率为阻带，高于ωC 的频率为通带。
带通滤波电路，其幅频响应如图附录1—1(c)所示。图中ωCl 为下截止频率，ωCh 为上截止频率，ω0为中心频率。由图可知，它有两个阻带：0<ω<ωCl 和ω>ωCh ，因此带宽B=ωCh -ωCl 。
带阻滤波电路，其幅频响应如图附录1—1(d)所示。由图可知，它有两个通带：0<ω<ωCl 及ω>ωCh 和一个阻带ωCl <ω<ωCh 。因此它的功能是衰减ωCl 到ωCh 间的信号。通带ω>ωCh 也是有限的。
带阻滤波电路阻带中点所在的频率ωZ 叫零点频率。
(a)低通滤波电路 (b)高通滤波电路
(c)带通滤波电路 (d)带阻滤波电路
图附录1—1 各种滤波电路的幅频响应
二阶基本节低通、高通、带通和带阻滤波器的电压转移函数分别为
H S K S Q S P
P P P
()=+?? ??
?+ωωω2
22
低通
H S KS S Q S P P P
()=+?? ??
?+2
22
ωω 高通
H S K Q S S Q S P P P P P
()=
?? ???+?? ??
?+ωωω2
2 带通
H S K S S Q S Z P P P
()()
=++?? ??
?+22
22
ωωω 带阻
式中K 、ωp 、ωz 和Ｑp 分别称为增益常数、极点频率、零点频率和极偶品质因数。正弦稳态时的电压转移函数可分别写成
H j K
j
Q P P P ()ωωωω
ω=
-
+112
2
低通
H j K
j
Q P P P ()ωωω
ωω=
--1122 高通
H j K
jQ P P P
()()
ωωωωω
=
+-1 带通
H j K j
Q Z P P
P
()()()ωωωωωωω
=
--+2
22
2 带阻
三、实验内容
1．二阶无源低通滤波器
（1）二阶无源RC 低通滤波器的幅频特性
图附录1—2所示电路为二阶无源RC 低通滤波器基本节，采用复频域分析，可以得其电压转移函数为：
图附录1—2
22
2
13111)
()
()(??? ??+?????
?
?
?+??? ??=?
RC s RC s RC s U s U s H i o 根据二阶基本节低通滤波器电压转移函数的典型表达式：
H S K S Q S P
P P P
()=+?? ??
?+ωωω2
22
可得增益常数K=1，极点频率ωP RC =
1和极偶品质因数Q P =13
。 正弦稳态时，电压转移函数可写成：
ω
ωωωωωωRC j C R Q j
K
j H P P P
311
11)(22222+-=
+-=
幅值函数为：
2
2
22
2
2
22
2
)
3()1(1
)1()1()(ωωωωωωωRC C R Q K
j H P P P
+-=
+-
=
由上式可知：
当0=ω时，1)0(==K j H 当RC P 1=
=ωω时，3
1)(==K Q j H P P ω 当∞=ω时，0)(=∞j H
可见随着频率升高幅值函数值减小，该电路具有使低频信号通过的特性，故称为低通滤波器。
（2）实验步骤与注意事项
按图附录1—2接线。函数信号发生器选定为正弦波输出，固定输出信号幅度为
V U P iP 1=-，改变f (零频率可以用Hz f 20=，或Hz 40近似)从40Hz~3KHz 范围内不同
值时，用毫伏表测量o U 。要求找出极点频率P f 和截止频率C f 的位量，其余各点频率由学生自行决定，数据填入表1中。画出此滤波器的幅频特性曲线，并进行误差分析。
注：当3
1
)0(31)(==
j H j H P ω时，对应的频率称为P f (P ω)；截止频率C f (ωc )是幅值函数自)(0ωj H 下降3db ，即2
)
()(0ωωj H j H c =
时，所对应的频率。
每次改变频率时都应该注意函数发生器的输出幅度为U ip-p =1V 。我们可以用示波器来监
视函数信号发生器的输出幅度。
RC
f F
C K R V
U p p P iP ππωμ21
21.021==
=Ω==-
2．二阶高通滤波器
(1) 二阶无源RC 高通滤波器的幅频特性
图附录1—3
图附录1—3所示电路为二阶无源RC 高通滤波器基本节，采用复频域分析，可以得其电压转移函数为：
22
2
131)
()()(?
??
??+????
?
?
?
?+=
?RC S RC S S S U S U S H i o
根据二阶基本节高通滤波器电压转移函数的典型表达式：
H S KS S Q S P P P
()=
+?? ??
?+2
22
ωω 可得增益常数K=1，极点频率ωP RC =
1，极偶品质因数Q P =13
。 正弦稳态时，电压转移函数可写成：
H j K
j
Q R C j
RC P P P
()ωωω
ωωω
ω=
--=
--111
113
22222
幅值函数为：
22
2
222
222
)
3()11(1
)
1()1()(ωωωωω
ωωRC C R Q K
j H P P P +-
=
+-=
由上式可知：
当0=ω时，0)0(=j H 当RC P 1=
=ωω时，3
1
)(==K Q j H P P ω 当∞=ω时，1)(==∞K j H
可见随着频率增加幅值函数增大，该电路具有使高频信号通过的特性，故称为高频滤波器。
(2) 实验步骤与注意事项
按图附录1—3接线。除正弦信号频率范围取100Hz~10KHz 外，操作步骤与注意事项和二阶无源RC 低通滤波器相同。要求找出P f 和C f ，数据填入表2中。画出此滤波器的幅频特性曲线，并进行误差分析。
RC
f F
C K R V
U p p P iP ππωμ21
21.021==
=Ω==- 表2
3．二阶带通滤波器
（1）二阶无源RC 带通滤波器的幅频特性
图附录1—4
图附录1—4所示电路为二阶无源RC 带通滤波器基本节，采用复频域分析，可以得其电压转移函数为：
22)1(311311)()()(RC s RC s s RC K s U s U S H i o +??
???
?
??+?????? ??=? 根据二阶基本节带通滤波器电压转移函数的典型表达式：
H S K Q S S Q S P P P P P
()=
?? ???+?? ??
?+ωωω22
可得增益常数K =
13，极点频率RC P 1=ω，极偶品质因数3
1=P Q 。 正弦稳态时，电压转移函数可写成：
H j K
jQ j RC RC P P P ()()
()
ωωωωω
ωω
=
+-=
+-11
3
1131
幅值函数为：
22
2
)1(9113
1)(
1)(ω
ωω
ωωωωRC RC Q K
j H P P P -+=
-+=
当P ωωω==0时，ω0称为带通滤波器的中心频率，即
RC
P 10=
=ωω 截止频率ωc 是幅值函数自)(P j H ω下降3db(即2
)
()(P c j H j H ωω=)时所对应的频
率。由｜H(j ω)｜的表达式可得
Q P C p p C
2
2
1(
)ωωωω-= 对上式求解得
02
2
21412141ωωω?++=?++=
P P P P P Ch Q Q Q Q
022
21412141ωωω?-+=?-+=P
P P P
P Cl Q Q Q Q
Ch ω，Cl ω分别称为上截止频率和下截止频率。
通频带宽度B 为
P
P
P
Cl Ch Q Q B 0
ωωωω=
=
-=
品质因数Q 为
Q B
B
Q P
P =
=
=ωω0
可见二阶带通滤波器的品质因数Q 等于极偶品质因数Q p 。Q 是衡量带通滤波器的频率选择能力的一个重要指标。
由｜H(j ω)｜的表达式可知：
当0=ω时，0)0(=j H 当∞=ω时，0)(=∞j H 当RC P 10=
==ωωω时，3
1)()(0===K j H j H P ωω 信号频率偏离中心频率ω0越远，幅值函数衰减越大。由于品质因数
3
1=
=P Q Q 说明无源低通滤波器的品质因数太低，通频带宽度B 很宽，故滤波器的选择性差。 (2)实验步骤与注意事项
按图附录1—4接线。除正弦信号频率范围取100Hz~8KHz 外，操作步骤与注意事项和二阶无源RC 低通滤波器相同。要求找出o f 、Cl f 和Ch f 的位量，数据填入表3中。画出此滤波器的幅频特性曲线，并进行误差分析。
RC
f F
C K R V
U p p P iP ππωμ2121.021===Ω==-
四、思考题
1． 从滤波器的一些数学表达中，你如何理解滤波的概念？ 2． 在频域分析中，研究P ω和P Q 有何意义？
3． 从低通、高通、带通滤波器的幅频特性说明中，你认为全通滤波的幅频特性应当如何？
五、实验设备
1． 函数信号发生器 2． 晶体管毫伏表 3． 双踪示波器 4． 可变电容箱 5． 可变电阻箱
RC 有源滤波器
实验19RC 有源滤波器 一、实验目的 1.深刻理解RC 有源滤波器的工作原理。 2.掌握有源滤波器的测量和调试技术。 二、实验原理 滤波器是一种能使有用频率的信号通过而同时能对无用频率的信号进行抑制或衰减的电子装置。在工程上，滤波器常被用在信号的处理、数据的传送和干扰的抑制等方面。滤波器按照组成的元件，可分为有源滤波器和无源滤波器两大类。凡是只由电阻、电容、电感等无源元件组成的滤波器称为无源滤波器。凡是由放大器等有源元件和无源元件组成的滤波器称为有源滤波器。由运算放大器和电阻、电容（不含电感）组成的滤波器称为RC 有源滤波器。本实验只研究RC 无源滤波器和RC 有源滤波器的特性以及它们之间的关系。 RC 有源滤波器按照它所实现的传递函数的次数分，可分为一阶、二阶和高阶RC 有源滤波器。从电路结构上看，一阶RC 有源滤波器含有一个电阻和一个电容。二阶RC 有源滤波器含有二个电阻和二个电容。一般的高阶RC 有源滤波器可以由一阶和二阶的滤波器通过级联来实现。所以本实验只研究一阶和二阶滤波器。重点研究二阶RC 有源滤波器。 滤波器按照所允许通过的信号的频率范围可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。其中，低通滤波器只允许低于某一频率的信号通过，而不允许高于该频率的信号通过。高通滤波器只允许高于某一频率的信号通过而不允许低于该频率的信号通过。带通滤波器只允许某一频率范围内的信号通过而不允许该频率范围以外的信号通过。带阻滤波器不允许（阻止）某一频率范围（频带）内的信号通过而只允许该频率范围以外的信号通过。本实验重点研究RC 有源低通滤波器和带通滤波器。 1．一阶低通滤波器 图1.19.1（a ）中虚线框内的电路是一个RC 组成的一阶低通滤波器。 它的传递函数为 其中，ω0=1/ＲＣ。 为了提高增益并提高带负载能力，可以将上述滤波电路接到由运算放大器组成的放大电路中， 图1.19.1一阶RC 低通滤波器及其幅频特性 （1.19.1）
绝对经典的低通滤波器设计报告
经典 无源低通滤波器的设计
团队：梦知队 团结奋进，求知创新，追求卓越，放飞梦想 队员： 日期：2010.12.10 目录 第一章一阶无源RC低通滤波电路的构建 (3) 1.1 理论分析 (3) 1.2 电路组成 (4) 1.3 一阶无源RC低通滤波电路性能测试 (5) 1.3.1 正弦信号源仿真与实测 (5) 1.3.2 三角信号源仿真与实测 (10) 1.3.3 方波信号源仿真与实测 (15) 第二章二阶无源LC低通滤波电路的构建 (21) 2.1理论分析 (21) 2.2 电路组成 (22) 2.3 二阶无源LC带通滤波电路性能测试 (23) 2.3.1 正弦信号源仿真与实测 (23) 2.3.2 三角信号源仿真与实测 (28)
2.3.3 方波信号源仿真与实测 (33) 第三章结论与误差分析 (39) 3.1 结论 (39) 3.2 误差分析 (40) 第一章一阶无源RC低通滤波电路的构建1.1理论分析 滤波器是频率选择电路，只允许输入信号中的某些频率成分通过，而阻止其他频率成分到达输出端。也就是所有的频率成分中，只是选中的部分经过滤波器到达输出端。 低通滤波器是允许输入信号中较低频率的分量通过而阻止较高频率的分量。 图1 RC低通滤波器基本原理图 当输入是直流时，输出电压等于输入电压，因为Xc无限大。当输入
频率增加时，Xc减小，也导致Vout逐渐减小，直到Xc=R。此时的频率为滤波器的特征频率fc。 解出，得： 在任何频率下，应用分压公式可得输出电压大小为： 因为在＝时，Xc=R，特征频率下的输出电压用分压公式可以表述为： 这些计算说明当Xc=R时，输出为输入的70.7%。按照定义，此时的频率称为特征频率。 1.2电路组成
无源带通滤波器
无源带通滤波器 无源带通滤波器电路，有源带通滤波器电路图1．根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、和带阻滤波器（BEF）四种。图4-1分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图。滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。这些网络可以由RLC元件或RC元 无源带通滤波器电路，有源带通滤波器电路图 1．根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、和带阻滤波器（BEF）四种。图4-1 分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图。滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。这些网络可以由RLC 元件或RC 元件构成的无源滤波器，也可由RC 元件和有源器件构成的有源滤波器。 图4-1 四种滤波器的幅频特性 2．四种滤波器的传递函数和实验模拟电路如图4-2 所示：(a)无源低通滤波器(b)有源低通滤波器 (c) 无源高通滤波器 (d)有源高通滤波器 (e)无源带通滤波器 (f)有源带通滤波器 (g)无源带阻滤波器 (h)有源带阻滤波器
图4-2 四种滤波器的实验电路 3．滤波器的网络函数H（jω），又称为正弦传递函数，它可用下式表示
式中A(ω)为滤波器的幅频特性，θ(ω)为滤波器的相频特性。它们均可通过实验的方法来测量。
无源滤波器和有源滤波器(互联网+)
实验报告 课程名称：信号分析与处理 指导老师： 成绩： 实验名称：无源滤波器有源滤滤波器 实验类型： 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1. 熟悉滤波器的构成及其特性 2. 学会测量滤波器幅频特性的方法 二、实验内容和原理 滤波器的一般结构如图所示。图中的V i (t )表示输入信号，V o (t )为输出信号。 假设滤波器是一个线性时不变网络，则在复频域内有 式中A (s )是滤波器的系统函数，一般为复数。V o (s )和V i (s )分别对应输出、输入信号的拉普拉斯变换。对于实际频率（s =j w ）来说，有） ωφωω(j )j ()j (e A A =。这里ωωφ-)(为相 频特性。此外，在滤波器中关心的另一个量是时延特性ω ωφωτd ) (d )(- =。 通常用幅频也行来表征一个滤波电路的特性，欲使信号通过滤波器的失真很小，则相频和时延特性均需要考虑。当相频特性为线性，而时延特性为常数时，输出信号不失真。 对于幅频特性，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率称为截止频率，实际滤波器的截止频率一般指归一化幅频特性在幅为0.707（-3dB ）时对应的频率，若以信号的幅值平方表示信号功率，则该频率对应的点为半功率点。 理想滤波器在通带内应具有零衰减的幅频特性和线性的相频特性，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。通常通带和阻带的相互位置不同，滤波器通常可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器等。 无源滤波器主要由R 、L 、C 构成。有源滤波器主要由运放、R 、C 构成，具有输入阻抗
无源滤波器设计
长沙学院 模电课程设计说明书 题目 系(部) 电子与通信工程系 专业(班级) 姓名 学号 指导教师 起止日期
数字电子技术课程设计任务书(11)系（部）：电子与通信工程系专业：电子信息工程
长沙学院课程设计鉴定表
目录 一．无源滤波器的简介 (5) 1.无源滤波器定义 (5) 2.无源滤波器的优点 (5) 3.滤波器的分类 (5) 4.无源滤波器的发展历程 (5) 二．无源滤波器的工作原理与电路与电路分析 (6) 1.工作原理 (6) 2.电路分析 (7) 三．设计思路及电路仿真 (11) 1.无源低通滤波器 (11) 2.无源高通滤波器 (11) 3.无源带通滤波器 (12) 4.无源带阻滤波器 (13) 四．设计心得与体会 (15) 五．参考文献 (15)
一．无源滤波器的简介 1.无源滤波器定义 无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。 2.无源滤波器的优点 无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用广泛的被动谐波治理方法。 3.滤波器的分类 ⑴按所处理的信号 按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。 ⑵按所通过信号的频段 按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 ⑶按照阶数来分 通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。 4.无源滤波器的发展历程 （1）1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。 （2）20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。 （3）自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展； （4）到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。 （5）80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。 （6）90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。 当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。
有源和无源滤波器的区别
无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成。 有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。 无源滤波装置 该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用；由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。 国际上广泛使用的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。 1)单调谐滤波器：一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单；缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加，而电炉正好是低次谐波，主要是2～7次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时，基波损耗可减少20～50％，属节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器，但组成复杂些，投资也高些，用于电弧炉系统中，2次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。 2)高通(宽频带)滤波器，一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时，对5次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。 有源滤波器 虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器(Active PowerFliter，缩写为APF)。 APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点： a．不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理； b．滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；c．具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点
(完整word版)基于巴特沃斯的低通滤波器的设计原理
课程设计报告 ——基于虚拟仪器的幅频特性自动测试系统的实现 2010年12月25日 一、实验内容 基于虚拟仪器的幅频特性自动测试系统的实现 二、实验目的 1、通过对滤波器的设计，充分了解测控电路中学习的各种滤波器的工作原理以及工作机制。学习幅频特性曲线的拟合，学会基本MATLAB操作。 2、进一步掌握虚拟仪器语言LabVIEW设计的基本方法、常用组件的使用方法和设计全过程。以及图形化的编程方法；学习非线性校正概念和用曲线拟合法实现非线性校正；练习正弦波、方波、三角波产生函数的使用方法；掌握如何使用数据采集卡以及EIVIS产生实际波形信号。了解图形化的编程方法；练习DIO函数的
使用方法；学习如何使用数据采集卡以及EIVIS产生和接受实际的数字信号。 3、掌握自主化学习的方法以及工程设计理念等技能。 三、实验原理 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统。滤波处理可以利用模拟电路实现，也可以利用数字运算处理系统实现。滤波器的工作原理是当信号与噪声分布在不同频带中时，可以在频率与域中实现信号分离。在实际测量系统中，噪声与信号的频率往往有一定的重叠，如果重叠不严重，仍可利用滤波器有效地抑制噪声功率，提高测量精度。 任何复杂地滤波网络，可由若干简单地、相互隔离地一阶与二阶滤波电路级联等效构成。一阶滤波电路只能构成低通和高通滤波器，而不能构成带通和带阻。可先设计一个一阶滤波电路来熟悉电路设计思路以及器件使用要求和软件地进一步学习。 滤波器主要参数介绍： ①通带截频f p=w p/(2π)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。 ②阻带截频f r=w r/(2π)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。 ③转折频率f c=w c/(2π)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以f c作为通带或阻带截频。 ④固有频率f0=w0/(2π)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。 有源滤波器地设计，主要包括确定传递函数，选择电路结构，选择有源器件
5.二阶无源低通滤波器
二阶低通滤波器设计 一：实验目的 .设计、焊接一个二阶低通滤波器，要求：截止频率为1KHz。二：实验原理 利用电容通高频阻低频的特性，使一定频率范围内的频率通过。从而设计电路，使得低频率的波通过滤波器。 三：实验步骤 1：设计电路，在仿真软件上进行仿真，在仿真电路图上使功能实现。2：先定电容，挑选合适的电阻，测量电阻的真实值，再到仿真电路替换掉原来的电阻值，不断挑选电阻，找到最逼近实验结果的值 3：根据仿真电路进行焊接，完成之后对电路进行功能检测，分别挑选频率为100hz，1khz，10khz的电源进行输入检测，观察输出的波形，并进行实验记录 四：实验电路 图1.1仿真电路设计
图1.2电路波特图 五：实验测量 我们用100hz，1khz，10khz三种不同正弦频率信号检测，其仿真与实测电路图如下： 图1.3 f=100Hz 时正弦信号仿真波形图
图1.4 f=100Hz 时正弦信号实测波形图 表1 f=100Hz 时实测结果与仿真数据对比表 分析：由图1.3的仿真波形与图1.4的实测电路波形和表1中的数据可知，输入频率为100Hz 的正弦信号时，该信号能够通过，输入输出波形间有较小相位差和较小衰减。仿真和实测数据间存在误差，误差值较小，在允许范围内。 数据项目 输入幅值/V 输出幅值/V 衰减/dB 相位差 仿真电路 169.706 167.869 0.0945 0.018π 实测电路 0.468 0.440 0.0536 0π
图1.5 f=1kHz 时正弦信号仿真波形图 图1.6 f=300Hz 时正弦信号实测波形图
表2 f=1kHz时实测结果与仿真数据对比表 数据项目输入幅值/V 输出幅值/V 衰减/dB 相位差 仿真电路169.631 121.047 2.931 0.140π 实测电路0.480 0.328 3.307 0.120π 分析：由图1.5的仿真波形与图1.6的实测电路波形和表2中的数据可知，输入频率为1kHz的正弦信号时，该信号能够通过，输入输出波形间有一定的相位差和衰减。仿真和实测数据间存在误差，误差值较小，在允许范围内。 图1.7 f=10kHz 时正弦信号仿真波形图
有源滤波器与无源滤波器的区别梳理
有源滤波器与无源滤波器的区别梳理 滤波器是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路，滤波器种类很多，有源滤波器和无源滤波器的区别我们最简单的分别办法是看看是否需要电源，在作用上最大的区别在于有源滤波器可以有增益，无源滤波器无增益是衰减的。 无源滤波器的特点 无源滤波器又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波构成低阻旁路。其主要优点是结构简单，成本低廉，运行可靠性高，运行费用较低。缺点是通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时，滤波器的体积和重量都比较大，在低频段范围不适用。 有源滤波器的特点 有源滤波器的频率范围是由直流到500kHz，在低频范围内已取代了传统的LC滤波器，其主要特点为： 1、有源滤波器的输入阻抗高，输出阻抗极低，因而具有良好的隔离性能，所以各级之间均无阻抗匹配要求； 2、易于制作截止频率或中心频率连续可调的滤波器且调整容易； 3、如果使用电位器、可变电容器，有源滤波器的频率精度易于达到0.5%；
4、不用电感器，体积小，重量轻，在低频情况下，这种优点更为突出； 5、设计有源滤波器比设计LC滤波器更具灵活性，也可得到电压增益。 但应当注意，有源滤波器以集成运放作为有源元件，所以一定要电源，输入小信号时受运放带宽限制，输入大信号时受运放压摆率的限制，这就决定了有源滤波器不适用于高频范围。 有源滤波器与无源滤波器的区别？ 有源滤波器和无源滤波器存在如下几大区别： 1、工作原理。无源滤波器由LC等元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。有源滤波器由电力电子元件和DSP等构成的电能变换设备，检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流，补偿后的源电流几乎为纯正弦波，其行为模式为主动式电流源输出； 2、谐波处理能力。无源滤波器只能滤除某个特定阶次的谐波，有源滤波器可动态滤除各次谐波； 3、频率变化的影响。无源滤波器谐振点偏移，效果降低；有源滤波器不受影响； 4、系统阻抗变化影响。无源滤波器受系统阻抗影响严重，存在谐波放大和共振的危险，而有源滤波不受影响。 5、负载变化对谐波补偿效果的影响。无源滤波器补偿效果随着负载的变化而变化，有源滤波器不受负载变化影响；
有源滤波器实验报告
实验报告 课程名称：电路与电子技术实验Ⅱ指导老师：张德华成绩：__________________ 实验名称：有源滤波器实验类型：模拟电路实验 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1.了解有源滤波器的工作原理、特点； 2.掌握有源滤波器典型电路的设计、分析与实现； 3.学习有源滤波器典型电路的频率特性测量方法、电路调试与参数测试，了解其滤波性能； 4.通过仿真方法进一步研究有源滤波电路，了解不同的有源滤波器结构、参数等对滤波性能的影响。 二、实验内容和原理 实验内容： 1.原理分析； 2.频率特性； 3.滤波效果。 实验原理： 0.滤波器 ⑴定义： 让指定频段的信号通过，而将其余频段上的信号加以抑制，或使其急剧衰减。（选频电路） ⑵分类： a)按照器件类型分类： 无源滤波器：由电阻、电容和电感等无源元件组成； 有源滤波器：采用集成运放和RC 网络为主体； b)按照频段分类： 低通滤波器（LPF ）、高通滤波器（HPF ）、带通滤波器（BPF ）、带阻滤波器（BEF ）； 通带：能够通过（或在一定范围内衰减）的信号频率范围； 阻带：被抑制（或急剧衰减）的信号频率范围； 过渡带越窄，说明滤波电路的选频特性越好。
⑷关键指标： 传递函数（频率响应特性函数）A v：反映滤波器增益随频率的变化关系； 固有频率（谐振频率）f c、ωc：电路无损耗时的频率参数，其值由电路器件决定； 通带增益：A0（针对LPF）、A∞（针对HPF）、A r（针对BPF）； 截止频率（-3dB频率）f p、ωp：增益下降到通带增益时所对应的频率； 品质因数Q：反映滤波器频率特性的一项重要指标，不同类型滤波器的定义不同（低通、高通滤波器中，定义为当f = fc 时增益模与通带增益模之比）。 1.一阶低通有源滤波器 ⑴电路原理图： ⑵关键指标： ⑶幅频特性图： ⑴电路原理图： ⑵关键指标：
无源滤波器和有源滤波器特点
无源滤波器:这种电路主要有无源元件R、L和C组成。 有源滤波器:集成运放和R、C组成,具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限,所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。 无源滤波装置 该装置由电容器、电抗器,有时还包括电阻器等无源元件组成,以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路,以达到抑制高次谐波的作用;由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区,所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联,这样既满足无功补偿、改善功率因数,又能消除高次谐波的影响。 国际上广泛使用的滤波器种类有:各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。 1单调谐滤波器:一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好,结构简单;缺点是电能损耗比较大,但随着品质因数的提高而减少,同时又随谐波次数的减少而增加,而电炉正好是低次谐波,主要是2~7次,因此,基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时,基波损耗可减少20~50%,属节能型,滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器,但组成复杂些,投资也高些,用于电弧炉系统中,2次滤波器选用三阶滤波器为好,其它次选用二阶单调谐滤波器。 2高通(宽频带滤波器,一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时,对5次以上起滤波作用时,通过参数调整,可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。 有源滤波器 虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点,在现阶段广泛用于配电网中,但由于滤波器特性受系统参数影响大,只能消除特定的几次谐波,而对某些次谐波会产生放大作用,甚至谐振现象等因素,随着电力电子技术的发展,人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器(Active PowerFliter,缩写为APF。 APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比,有以下特点: a.不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变,补偿无功,有一机多能的特点,在性价比上较为合理; b.滤波特性不受系统阻抗等的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险; c.具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波,即具有高度可控性和快速响应性等特点 一、无源滤波器的优点 无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应
实验-无源与有源滤波器
实验二、无源和有源滤波器 一、实验目的 1、了解RC 无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性 2、分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性 3、掌握扫频仪的使用方法 二、实验设备 1、信号与系统实验箱（参考型号：TKSS —B 型） 2、双踪示波器 三、实验原理 1、滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频带范围）的信号通过，而其它频率的信号受到衰减或抑制，这些网络可以由RLC 元件或RC 元件构成的无源滤波器，也可以由RC 元件和有源器件构成的有源滤波器。 2、根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF ）、高通滤波器（HPF ）、带通滤波器（BPF ）或带阻滤波器（BEF ）四种。把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。而通带与阻带的分界点的频率称为截止频率或转折频率。图2-1中的|)(|Ωj H 为通带电压放大倍数， 0Ω为中心频率，CL Ω和CU Ω称为低端和高端截止频率。 图2-1 四种滤波器幅频特性示意图 四种滤波器的实验电路如图2-2所示。
图2-2 各种滤波器的实验线路图 3、图2-3中，滤波器的频率特性)(|)(|)(θ?∠Ω=Ωj H j H 式中|)(|Ωj H 为滤波器的幅频特性，)(θ?为相频特性，它们可以通过实验方法测量出来。
图2-3 滤波器 四、实验重难点 1、本实验以RC无源/有源低通滤波器为重点进行实验数据的观测。 2、熟悉函数信号发生器的使用。 五、实验步骤 1、示波器的通道1和通道2校准； 2、滤波器的输入端接正弦信号发生器或扫频电源，滤波器的输出端接示波器或交流数字毫伏表。 3、测试无源和有源低通滤波器的幅频特性。 ①测试RC无源低通滤波器的幅频特性。 调节函数信号发生器，产生200Hz，1V的正弦波信号。将其接到图2－2(a)所示电路的输入端，保持输入电压U I的幅值不变，逐渐改变其频率，观察输出电压U O幅值，并将测得的数据记录表一。作图(a)RC无源低通滤波器的幅频特性曲线。 ②测试RC有源低通滤器的幅频特性 实验电路如图2－2(b)所示。将实验数据记入表二中。 RC无源低通滤器的幅频特性RC有源低通滤器的幅频特性 4、测试无源和有源高通滤波器的幅频特性。
如何正确区别无源和有源电力滤波器
如何正确区别无源和有源电力滤波器 安科瑞王志彬2019.03 有源电力滤波器装置：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。 无源电力滤波器装置：这种电路主要有无源元件R、L和C组成。 无源电力滤波器装置 该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用;由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。 有源电力滤波器装置 虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源电力滤波器(Active PowerFliter，缩写为APF)。 APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下三个特点： a.不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理; b.有源电力滤波器特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险; c.具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。 国际上广泛使用的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。 (1)高通(宽频带)滤波器，一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时，对5次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。 (2)单调谐滤波器：一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单;缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加，而电炉正好是低次谐波，主要是2～7次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时，基波损耗可减少20～50%，属节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器，但组成复杂些，投资也高些，用于电弧炉系统中，2次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。 安科瑞ANAPF有源电力滤波器 1、概述 1.1谐波的产生 电力系统中理想的电压、电流波形都是频率为50Hz的正弦波，但是非线性电力设备（大功率可控硅、变频器、UPS、开关电源、中频炉等）的广泛应用产生了大量畸变的谐波电流，谐波电流耦合在线路上产生谐波电压。对非正弦的畸变电流作傅立叶级数分解，其中频率与工频相同的分量为基波，频率是基波频率整数倍的分量为谐波。谐波是电能质量的重要指标。 1.2谐波的危害
带通滤波器(有源无源)
7 带通滤波器（有源、无源） 一、实验目的 1、熟悉带通滤波器构成及其特性。 2、学会测量带通滤波器幅频特性的方法。 二、实验原理说明 滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的电子装置。工程上常用它作信号处理、数据传送和抑制干扰等。这里主要是讨论模拟滤波器。以往这种滤波电路主要采用无源元件R 、L 和C 组成，60年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和R 、C 组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波电路的工作频率难以做得很高，这是它的不足之处。 2.1基本概念及初步定义 滤波电路的一般结构如2—1所示。图中的V i (t)表示输入信号，V 0（t ）为输出信号。 假设滤波器是一个线形时不变网络，则在复频域内其传递函数（系统函数）为 A （s ）＝ ) () (0s V s V i 式中A （s ）是滤波电路的电压传递函数，一般为复数。对于频率来说（s=j ω）则有 A （j ω）＝│A （j ω）│e j φ(ω) (2-1) 这里│A （j ω）│为传递函数的模，φ(ω)为其相位角。 此外，在滤波电路中关心的另一个量是时延τ（ω），它定义为 τ（ω）＝- (2-2) 通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性，欲使信号通过滤波器的失真很小，则相位和时延响应亦需考虑。当相位响应φ(ω)作线性变化，即时延响应τ（ω）为常数时，输出信号才可能避免失真。 2.2滤波电路的分类 对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。 理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减（│A （j ω）│＝０）。通常通带和阻带的相互位置不同，滤波电路通常可分为以 V i 图2-1 滤波电路的一般结构 )() (s d d ω ω?
低通无源滤波器设计详细
低通无源滤波器仿真与分析 、滤波器定义 所谓滤波器( filter )，是一种用来消除干扰杂讯的，对输入或输出的信号中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。一般可实为一个可实现的线性时不变系统。 二、滤波器的分类 常用的滤波器按以下类型进行分类。 1) 按所处理的信号： 按所处理的信号分为和两种。 2) 按所通过信号的频段 按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 3) 按所采用的元器件 按所采用的分为无源和两种。 ：仅由(R、L 和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的随频率的变化而变化的构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L 较大时滤波器的和重量都比较大，在低频域不适用。 有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和(如集成运算放大器) 组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件) ；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在、高频、大功率的场合不适用。 4) 按照阶数来分 通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。 三、网络的频率响应 在时域中，设输入为 x(t) ，输出为 y(t ) ，滤波器的脉冲响应函数为 h(t ) 。转换到频域，激励信号为 X(j ) ，经过一个线性网络得到的响应信号为 Y( j )
实验四 无源和有源滤波器
实验四无源和有源滤波器 实验性质：验证性实验级别：必做 开课单位：信息与通信工程学院学时：2 一、实验目的 1、了解RC无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性 2、分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性 二、仪器设备 1、信号与系统实验箱 2、双踪示波器。 三、原理说明 1、滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频带范围）的信号通过，而其它频率的信号受到衰减或抑制，这些网络可以由RLC 元件或RC元件构成的无源滤波器，也可以由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。 2、根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）四种。把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。而通带与阻带的分界点的频率ωc称为截止频率或称转折频率。图4-1中的|H(jω)|为通带的电压放大倍数，ω0为中心频率，ωcL和ωcH分别为低端和高端截止频率。 图4-1 各种滤波器的理想频幅特性 四种滤波器的实验线路如图4-2所示：
(a)无源低通滤波器 (b)有源低通滤波器 (c) 无源高通滤波器 (d)有源高通滤波器 (e)无源带通滤波器 (f)有源带通滤波器 (g)无源带阻滤波器 (h)有源带阻滤波器 图4-2 各种滤波器的实验线路图
3、图4－3所示，滤波器的频率特性H （jω）（又称为传递函数），它用下式表示 21 ()()()u H j A u ωωθω= =∠ （4－1） 式中A （ω）为滤波器的幅频特性，θ(ω)为滤波器的相频特性。它们都可以通过实验的方法来测量。 ＋ － 图4-3 滤波器 四、预习要求 1、 为使实验能顺利进行，做到心中有数，课前对教材的相关内容和实验原理、目的与要求、步骤和方法要作充分的预习（并预期实验的结果）。 2、 推导各类无源和有源滤波器的频率特性，并据此分别画出滤波器的幅频特性曲线 3、在方波激励下，预测各类滤波器的响应情况。 五、 实验内容及步骤 1、滤波器的输入端接正弦信号发生器或扫频电源，滤波器的输出端接示波器或交流数字毫伏表， 2、测试无源和有源低通滤波器的幅频特性。 （1）测试RC 无源低通滤波器的幅频特性。 用图4-2-1（a ）所示的电路，测试RC 无源低通滤波器的特性。实验时，必须在保持正弦波信号输入电压（U 1）幅值不变的情况下，逐渐改变其频率，用实验箱提供的数字式真有效值交流电压表（10Hz 低通无源滤波器仿真与分析 一、滤波器定义 所谓滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的，对输入或输出的信号中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。一般可实为一个可实现的线性时不变系统。 二、滤波器的分类 常用的滤波器按以下类型进行分类。 1)按所处理的信号： 按所处理的信号分为和两种。 2)按所通过信号的频段 按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 3)按所采用的元器件 按所采用的分为无源和两种。 ：仅由(R、L 和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的随频率的变化而变化的构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的和重量都比较大，在低频域不适用。 有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在、高频、大功率的场合不适用。 4)按照阶数来分 通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。 三、网络的频率响应 在时域中，设输入为)(t y，滤波器的脉冲响应函数为)(t h。转换到 x，输出为)(t 频域，激励信号为) Y。 (ωj (ωj X，经过一个线性网络得到的响应信号为) 实验七集成运算放大器的基本应用(Ⅱ)—有源滤波器 一、实验目的 1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。 2、学会测量有源滤波器的幅频特性。 二、实验原理 （a）低通（b）高通 (c) 带通（d）带阻 图7－1 四种滤波电路的幅频特性示意图 由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器，它们的幅频特性如图7－1所示。 具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般 来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC 网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC 有滤波器级联实现。 1、低通滤波器（LPF ） 低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。 如图7－2（a ）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC 滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C 接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图7－2（b ）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。 (a)电路图 (b)频率特性 图7－2 二阶低通滤波器 电路性能参数 1 f uP R R 1A + = 二阶低通滤波器的通带增益 RC 2π1 f O = 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 uP A 31 Q -= 品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形 状。 2、高通滤波器（HPF ） 与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。 只要将图7－2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通 三、无源滤波电路和有源滤波电路 无源滤波电路：若滤波电路仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成。 有源滤波电路：若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成。 1. 无源低通滤波器 如图所示为RC低通滤波器及其幅频特性，当信号频率趋于零时，电容的容抗趋于无穷大，故低频信号顺利通过。 带负载后，通带放大倍数的数值减小，通带截止频率升高。可见，无源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这一缺点不符合信号处理的要求，因而产生有源滤波器。 2.有源滤波电路 为了使负载不影响 滤波特性，可在无源滤波 电路和负载之间加一个 高输入电阻低输出电阻 的隔离电路，最简单的方 法是加一个电压跟随器， 如右图所示，这样就构成 了有源滤波电路。 在理想运放的条件下，由于电压跟随器的输入电阻为无穷大， 输出电阻为零，因而 仅决定于RC的取值。输出电压 = ， 负载变化，输出不变。 有源滤波必须在合适的直流电源供电的情况下才能起作用，还可以放大，只适合于信号处理，不适合高电压大电流的负载。 RC低通滤波器的响应特性 曲电阻（R）和电容（C）构成的RC电路是电子电路中使用最多的电路。首先，研究简单的RC电路的特性，针对在CMOS数字电路中的应用进行实验。 图1是各使用一个电阻、一个电容的RC电路。这种电路从频率轴来看，可作为1次低通滤波器处理。所谓低通滤波器是指低频率时通过、高频率时截止，能除去噪声等不需要的高频率的滤波器。 图1 RC电路的频率一增益／相位特性 使用比RC常数所决定的频率f，（称截止频率）低的输人频率时，信号的衰减小；相反地，高频时，因电容C的阻抗（IhoC）与电阻R相比变小，故衰减将变大，并与频率成反比。 一般将低通滤波器上增益为－3dB（）处的频率称为截止频率，表示为： 超过截止频率fc的高频域的衰减特性，是以－GdB/oct（频率为2倍时衰减6dB）或－20dB/dec（频率为10倍时衰减20dB，变为1/10）特性的倾率使增益下降。 另外，输入输出间的相位特性也与输人频率f有关。随着频率f的上升，相位延迟角θ变大，在截止频率fc处，变为如下关系： 高频处可接近－90°。 图1是为研究R＝10kΩ、C＝1000pF(fc＝15.92kHz)的增益／本目位特性，用增益相位分析器测定出来的结果。照片上夂处放入的标识点(·)与理论值不同，增益为－3.49 dB(正确值—3.0 dB)、相位为－46.8°(正确值-45°)，这是因为分析器的输入阻抗及RC的值存在误差的原因。低通无源滤波器设计详细
有源滤波器实验报告
无源滤波电路和有源滤波电路