波形分解与合成实验报告

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：波形分解与合成实验类型：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.了解有源带通滤波器的工作原理、特点；2.掌握有源带通滤波器典型电路的设计、分析与实现；3.学习有源带通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.了解非正弦信号离散频谱的含义；5.利用有源带通滤波器、放大器实现波形的分解与合成；6.通过仿真方法进一步研究有源带通滤波电路，了解不同的有源带通滤波器结构、参数对滤波性能的影响。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；4.波形的分解与合成。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。专业：自动化（电气）姓名：冷嘉昱学号：3140100926日期：2016.6.1地点：东三211桌号F-2装订线实验名称：波形分解与合成⑷关键指标：传递函数（频率响应特性函数）Av：反映滤波器增益随频率的变化关系；固有频率（谐振频率）fc、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）、Ar（针对BPF）；截止频率（-3dB频率）fp、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）。1.二阶多重负反馈型有源带通滤波器⑴电路原理图：⑵关键指标：2.二阶单一正反馈型有源带通滤波器⑴电路原理图：⑵关键指标：装订线P.2实验名称：波形分解与合成3.波形分解与合成⑴傅里叶级数：满足狄里赫利条件（即在一个周期内，具有有限个极值点、有限个间断点和绝对可积）的周期函数均可分解为傅里叶级数。利用傅里叶级数，可以将非正弦周期信号分解为一系列不同频率的正弦分量（即直流信号、基波和各次谐波信号的叠加）。定义一周期信号：f(t)=f(t+kT)，其中T为周期，k为任意整数；对应的傅里叶级数（三角函数形式）为：其中，ω1=2π/T称为基波角频率，a0、an、bn称为傅里叶系数。傅里叶级数的另种表示方式：其中，A0=a0/2称为直流分量；A1cos(ω1t+φ1)称为基波分量；n2以后的分量分别称为二次、三次至高次谐波分量。⑵波形分解与合成：波形分解：将周期信号分解为直流、基波和高次谐波。（滤波器）波形合成：将直流、基波和足够多的高次谐波叠加（逼近）成波形。（移相器+加法器）方波信号（峰值为Vm）的傅里叶级数：装订线P.3实验名称：波形分解与合成三、主要仪器设备1.ACL-ZD-II型模拟电子技术实验箱；2.TDS1002C-EDU型数字示波器；3.LM358集成运放；4.DG1022U信号发生器；5.万用表。四、操作方法和实验步骤1.二阶多重负反馈型有源带通滤波器取R1=30kΩ，R2=60kΩ，R3=155.78Ω，R=0kΩ，C1=0.1μF，C2=0.1μF，按照原理图连接电路，输入Vpp=3V（实测为3.04V）正弦信号，逐渐改变频率，测量各点幅值与相位值；输入混频信号（由加法器电路实现），观察滤波效果。2.波形分解与合成输入采用方波信号，用两个中心频率分别为fm和3fm的带通滤波器实现波形分解；用移相器与加法器实现波形合成。五、实验数据记录和处理1.二阶多重负反馈型有源带通滤波器f/kHz0.10.20.30.40.50.60.70.80.911.2Vpp/V0.0940.2040.3840.9203.41.120.640.4160.3360.2740.208Δφ/º-91.2-93.2-101-104-17810710096.89291.490幅频特性相频特性装订线P.4实验名称：波形分解与合成滤波效果PSpice仿真：装订线P.5实验名称：波形分解与合成2.波形分解与合成⑴电路原理图：左上为一次谐波电路，左下为三次谐波电路，右上为五次谐波电路，右下为七次谐波电路。一次谐波与原信号装订线P.6实验名称：波形分解与合成三次谐波与原信号一次谐波与三次谐波叠加一次谐波与五次谐波叠加装订线P.7实验名称：波形分解与合成PSpice仿真：六、实验结果与分析1.二阶多重负反馈型有源带通滤波器本次实验所用滤波器为波形分解实验中一次谐波电路，标称中心频率500Hz，由幅频曲线可得电路基本满足要求。2.波形分解与合成一次谐波实验效果较好，但仿真的一次谐波幅值未达到理论值，原因待查。三次谐波实验效果也较好，五次谐波的实验效果较差。因此合成效果一般。七、讨论、心得本次实验的一大挑战就是电路的设计。虽然理论计算并没有什么难度，但是由于实验箱电位器个数的限制，电路中所用电阻的阻值很难精确实现。我采用的方法是先把理论计算值进行近似，例如一次谐波中的R2，用60kΩ的电阻替代63661的精确值。对于近似后仍然难以匹配的电阻，则用串并联的方法实现。而近似导致的误差显然极大地影响了实验效果。一次谐波的效果好是因为实际操作时R3是用电位器实现，可调出最理想的波形，但是三次谐波、五次谐波的电路中没有电位器，效果明显较差。另外，仿真中我把每个电阻值都调成与理论值相同的参数，原理图如下：但是结果却是幅值不达标，我自己没有找到原因。因为花了过多时间在凑出各个电阻上面，导致没有时间做其他想做的扩展实验，如其他类型的带通滤波器等，实在是令人遗憾。装订线P.8