信号与系统综合实验报告-带通滤波器的设计

广州大学综合设计性实验报告册实验项目选频网络的设计及应用研究学院物电学院年级专业班电子131姓名朱大神学号成绩实验地点电子楼316指导老师《综合设计性实验》预习报告实验项目：选频网络的设计及应用研究一引言：选频网络在信号分解、振荡电路及其收音机等方面有诸多应用。比如，利用选频网络可以挑选出一个周期信号中的基波和高次谐波。选频网络的类型和结构有很多，本实验将通过设计有源带通滤波器实现选频。二实验目的：（1）熟悉选频网络特性、结构及其应用，掌握选频网络的特点及其设计方法。（2）学会使用交流毫伏表和示波器测定选频网络的幅频特性和相频特性。（3）学会使用Multisim进行电路仿真。三实验原理：带通滤波器：这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减和抑制。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成，如图1所示。电路性能参数可由下面各式求出。通带增益：CBRRRRAfvp144其中B为通频带宽。中心频率：)11(12131220RRCRfπ通带宽度：)21(14321RRRRRCBf品质因数：BfQ0此电路的优点是，改变fR和4R的比值，就可以改变通带宽度B而不会影响中心频率0f。四实验内容：设计一个中心频率Hzf20000，品质因数5Q的带通滤波器。五重点问题：（1）确定带通滤波器的中心频率、上限频率及下限频率。（2）验证滤波器是否能筛选出方波的三次谐波。六参考文献：[1]熊伟等.Multisim7电路设计及仿真应用.北京：清华大学出版社，2005.[2]吴正光，郑颜.电子技术实验仿真与实践.北京：科学出版社，2008.[4]童诗白等.模拟电子技术基础（第三版）.北京：高等教育出版社，2001.图1二阶带通滤波器[3]承江红，谢陈跃.信号与系统仿真及实验指导.北京：北京理工大学出版社，2009.《综合设计性实验》实验报告实验项目：选频网络的设计及应用研究摘要：带通滤波器理论计算：中心频率Hzf20000，下限频率HzfL2100，上限频率HzfH1900。带通滤波器Multisim仿真：中心频率Hzf19990，下限频率HzfL1954，上限频率HzfH2015。带通滤波器实际电路实验：中心频率Hzf19920，下限频率HzfL1875，上限频率HzfH2112。设计的带通滤波器可以筛选出频率为2000Hz的方波的三次谐波。一引言：选频网络在信号分解、振荡电路及其收音机等方面有诸多应用。比如，利用选频网络可以挑选出一个周期信号中的基波和高次谐波。选频网络的类型和结构有很多，本实验将通过设计有源带通滤波器实现选频。二实验要求：设计一个带通滤波器，要求中心频率Hzf20000，品质因数5Q，要求带通滤波器能筛选出频率为2000Hz的方波的三次谐波。三实验仪器:名称数量名称数量10KΩ电阻30.1μF电容275KΩ电阻2万用表110KΩ电位器2双踪示波器1OP07CP运放1信号发生器1万用板1V12稳压电源1排针若干导线若干电烙铁1Multisim软件1焊锡一卷螺丝刀1四实验内容及步骤：（1）理论设计1.用图1所示电路设计带通滤波器。2.参数计算取品质因数Q=10，中心频率Hzf20000，通带增益2vpA，FCCμ1.021，ΩKR204，ΩKR10f通带增益2001020000QfB上限频率HzBffH21002200200020下限频率HzBffL19002200200020由CBRRRRAfvp144，200101.0102010101020261333R得ΩKR5.371由)11(12131220RRCRfπ和)21(14321RRRRRCBf联立)1105.371()101.0(121200033262RRπ)102010102105.371(101.01200333236RR解得ΩKR6.12，Ω4003R（2）Multisim电路仿真按图1所示电路及步骤（1）计算所得参数搭建仿真电路，如图2所示。1.测试中心频率0f，下限频率Lf，上限频率Hf开启仿真开关，调节信号发生器输出VUi2（有效值）的正弦波，调节频率，使输出oU最大，此时频率为中心频率0f；继续调节频率使输出为0.707oU，此时的频率分别为下限频率Lf，上限频率Hf，数据记入表1-1，波形记入表1-2。2.测试带通滤波器的频响特性打开虚拟波特测试仪，观察带通滤波器的幅频特性和相频特性，数据记入表2。3.用带通滤波器筛选出频率为2000Hz的方波的三次谐波图2二阶有源带通滤波器仿真电路调节信号发生器，输出频率为2000Hz的方波，调节频率为Hzf6663199930，用示波器观察输出波形，数据记入表3。（3）真实电路实验按图1所示电路及步骤（1）计算所得参数在万用板上焊接电路，其中ΩKR6.12，Ω4003R这两个电阻用两个10KΩ的电位器代替便于调试ΩKR5.371由两个阻值为75KΩ的电阻并联而成，ΩKR204由两个阻值为ΩK10的电阻串联而成。1.测试中心频率0f，下限频率Lf，上限频率Hf接通电源，调节信号发生器输出VUi2（有效值）的正弦波，调节频率，使输出oU最大，此时频率为中心频率0f；继续调节频率使输出为0.707oU，此时的频率分别为下限频率Lf，上限频率Hf，数据记入表1-1，波形记入表1-2。2.用带通滤波器筛选出频率为2000Hz的方波的三次谐波调节信号发生器，输出频率为2000Hz的方波，调节频率为Hzf6643199230，用示波器观察输出波形，数据记入表3。五实验数据处理及结果表示：表1-1测试Lf，0f，HfLf/Hz19540f/Hz1999Hf/Hz2015LHffBBfQ0仿真电路iU/V2226132.8oU/V2.4263.4882.411ioUUA1.2131.7441.206Lf/Hz18750f/Hz1992Hf/Hz2112LHffBBfQ0真实电路iU/V2222378.4oU/V2.563.652.53ioUUA1.261.8251.165表1-20f处波形仿真电路Hzf19990真实电路Hzf19920表2带通滤波器的频响特性幅频特性相频特性表3筛选频率为2000Hz的方波的三次谐波仿真电路波形频率1989.8Hz真实电路波形频率1988.4Hz六实验结果分析：（1）理论设计、仿真电路、真实电路实验结果对比0f/HzLf/HzHf/HzBQvpA理论设计200019002100200102仿真电路1999195420156132.81.744真实电路1992187521122378.41.825（2）误差分析1.真实电路实验中输出波形不稳定原因：原件接触不良；电路排线太密，两条焊锡之间产生电容，影响电路功能；单运放电路不稳定。2.中心频率不准确：原件精度不够；欠进一步调试。总体来说，实验虽有误差，但设计的滤波器实现了选频功能，实验设计合理，结果比较理想。七实验心得：历时两周，这次设计性实验随着老师在记录表上打钩画圈，结束了。两周时间不长，但带给我的体验与感受却很多。我在理论设计上花的时间并不多，因为刚好模电实验也做了关于滤波器的实验，我就参考模电实验中带通滤波器的电路，按设计要求计算好参数，画出了电路。从设计到Multisim仿真，一切都很顺利，并没有消耗太多时间。前期的顺利让我以为这个设计性实验将会一直很顺利地进行下去，但是在实际电路的实验中，我才真正体会到“理想与现实”的差距。我先用面包板插上原件测试了一下电路，中心频率是2100Hz，当时想着面包板可以做出来，那就焊一个电路吧，于是又焊了一个电路。然而焊接的电路效果却没有面包板那么理想，调试了好久才调出了波形，调出波形后又调试了好久才把中心频率调到了1992Hz。最后是拿焊的板去检查，因为我在焊接的板子上花了更多的心思，我希望展示花了心思的成果。在电路调试过程中，烦躁过，不耐心过，不过最后做出来了还是觉得很有成就感。这次设计性实验步不仅仅让我更加了解带通滤波器的性能，还让我变得更有耐心，更细心，因为带着焦急烦躁的心情是很难做成事情的。由于单运放做出来的滤波器不够稳定，所以在后续的学习中，我打算借鉴做双运放滤波器的同学的电路，尝试设计双运放的滤波器。希望能在对比中进步。八参考文献：[1]熊伟等.Multisim7电路设计及仿真应用.北京：清华大学出版社，2005.[2]吴正光，郑颜.电子技术实验仿真与实践.北京：科学出版社，2008.[4]童诗白等.模拟电子技术基础（第三版）.北京：高等教育出版社，2001.[3]承江红，谢陈跃.信号与系统仿真及实验指导.北京：北京理工大学出版社，2009.