集成运算放大器的基本应用─有源滤波器

1实验题目:集成运算放大器的基本应用─有源滤波器实验时间：_2016年11月21号________班级：___14物本2班____学号:_2014294222_____姓名：_梁国烈___一、实验预习1、实验目的（1）熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波器。（2）学会测量有源滤波器的幅频特性。2、实验原理及内容（简明扼要，主要是实验接线图）（一）实验原理由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，本实验只介绍二阶低通和二阶高通两种滤波器，它们的幅频特性如图3－13所示。理想通带实际阻带0f0fAuAupAuAup0f阻带实际理想通带f0（a）低通（b）高通图3－13低通和高通滤波电路的幅频特性示意图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2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3－14（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3－14（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。u0R110KΩ32Rf10KΩR47KΩ-12V4+12V67AuiR47KΩCC0.01uF0.01uFQ=0.810f/f0Q=1.7-20-4020lgAuAup(dB)(a)电路图(b)幅频特性图3－14二阶低通滤波器电路性能参数1fuPRR1A二阶低通滤波器的通带增益RC2π1fO截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。uPA31Q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。3只要将图3－14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滤波器，如图3－15(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照LPH分析方法，不难求得HPF的幅频特性。u0R15.1KΩ32Rf5.1KΩR10KΩ-12V4+12V67AuiR10KΩCC0.01uF0.01uF10f/f0-20-4020lgAuAup(dB)Q=1.7Q=0.8(a)电路图(b)幅频特性图3－15二阶高通滤波器电路性能参数AuP、fO、Q各量的函义同二阶低通滤波器。图3－15（b）为二阶高通滤波器的幅频特性曲线，可见，它与二阶低通滤波器的幅频特性曲线有“镜像”关系。（二）实验内容与步骤1．二阶低通滤波器（1）将μA741芯片插入THM-3实验箱上8P圆针插座中，（芯片方向与圆针插座方向应一致）；接实验电路如图3－14(a)接线。（2）粗测：接通线路±12V电源。ui接函数信号发生器，令其输出为ui＝1V的正弦波信号，在滤波器截止频率(接近理论上的截止频率339HZ)附近改变输入信号频率，用示波器或交流毫伏表观察输出电压幅度的变化是否具备低通特性，如不具备，应排除电路故障。（3）在输出波形不失真的条件下，维持输入信号幅度ui＝1V不变的情况下，逐点改变输入信号频率,测量输出电压，记入表3-22中，并在图3-16中描绘出二阶低通滤波器的频率特性曲线。4图3－16二阶低通滤波器频率特性曲线图3－17二阶高通滤波器频率特性曲线2、二阶高通滤波器（1）将μA741芯片插入THM-3实验箱上8P圆针插座中，（芯片方向与圆针插座方向应一致）；实验电路如图3－15(a)（2）粗测：输入ui＝1V正弦波信号，在滤波器截止频率(接近理论上的截止频率1.6KHZ)附近改变输入信号频率，观察电路是否具备高通特性。（3）维持输入信号幅度ui＝1V不变的情况下，逐点改变输入信号频率，测量输出电压，记入表3-23中，并在图3-17中描绘出二阶高通滤波器的频率特性曲线。3、所用仪器设备模拟运算电路实验所需仪器设备见表3-16。表3-16实验仪器设备序号名称型号规格数量1模拟电路实验箱THM-312函数信号发生器TFG6930A13双踪示波器V-252,20MHZ14交流毫伏表DF2170C15数字万用表VC9801A+14、预习思考题（1）复习教材中有关滤波器的内容。（2）利用仿真软件仿真本实验的实验内容。（3）根据实验电路参数计算低通滤波器和高通滤波的截止频率，通带增益和品质因数。5二、实验原始记录（实验完成后必须要经过实验指导教师签名认可）uPA31Q品质因数RC2π1fO截止频率1fuPRR1A二阶低通滤波器的通带增益表3－22二阶低通滤波器的测量f(Hz)UO(v)f0UO表3－23二阶高通滤波器的测量f(Hz)UO(v)6f0UO三、实验报告1、数据处理（数据表格、计算结果、误差、结果表达、曲线图等）截止频率:RC2π1fO=1/(2*3.14*47*0.01)=338.80Hz二阶低通滤波器的通带增益:1fuPRR1A=1+10/10=2品质因数:uPA31Q=1/(3-2)=1表3－22二阶低通滤波器的测量f(Hz)190210230250270310340380420460540600650UO(v)2.322.322.322.322.302.121.921.641.381.180.860.680.587表3－23二阶高通滤波器的测量f(Hz)0.10.20.40.61.21.51.82.23468910UO(v)4040801403805006007008009009409609809802、结论a)整理实验数据，画出各电路实测的幅频特性8b)根据实验曲线，计算截止频率、中心频率、带宽及品质因数c)总结有源滤波电路的特性3、讨论（1）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。（2）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。2016年11月21日