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1、实验八有源滤波器一、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、实验设备与器件1、 12V直流电源3、双踪示波器2、函数信号发生器4、“A741X15、电阻器、电容器若干。三、实验原理(b)高通(a)低通(c)带通(d)带阻图8-1四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(L
2、PF)、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8-1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8-2 (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
3、正反馈，以改善幅频特性。图8-2 (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8-2二阶低通滤波器电路性能参数A 1 RA = 1 + -fif =-1-O 2tRC二阶低通滤波器的通带增益截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。Q =-3 - A uP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8-2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二 阶有源高通滤波器，如图8-3(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
4、“镜象”关系，仿照LPF分析方法，不难求得HPF的幅 频特性。(a)电路图(b)幅频特性图8-3二阶高通滤波器电路性能参数A” f。、Q各量的函义同二阶低通滤波器。图8-3 (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。3、带通滤波器(BPF)(a)电路图(b)幅频特性图8-4二阶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或抑制。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 8-4 （a）所示。电路性能参数通带增益A = R4 + Rf upR4R1C
5、B中心频率f = : ：G1 + 土 O 2n R2C2 R1 R3通带宽度r_1，12 R 、B( + f)C R1 R2 R3R4选择性Q祟。B此电路的优点是改变Rf和R4的比例就可改变频宽而不影响中心频率。4、带阻滤波器（BEF）如图8-5 （a）所示，这种电路的性能和带通滤波器相反，即在规定的频带 内，信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺 利通过。在双T网络后加一级同相比例运算电路就构成了基本的二阶有源BEF。图8-5二阶带阻滤波器电路性能参数通带增益 Aup中心频率fo - 2tRC带阻宽度B = 2 (2A ) fo选择性Q =2(2 - A/四、实验
6、内容1、二阶低通滤波器实验电路如图8 2(a)(1)粗测：接通12V电源。ui接函数信号发生器，令其输出为Uip_p=2V 的正弦波信号，在滤波器截止频率附近改变输入信号频率，用示波器观察输出电 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。(2)在输出波形不失真的条件下，选取适当幅度的正弦输入信号，在维持 输入信号幅度不变的情况下，逐点改变输入信号频率。测量输出电压，记入表 8-1中，描绘频率特性曲线。表8 1f(Hz)Uop-p (v)2、二阶高通滤波器实验电路如图8 3(a)(1) 粗测：输入Uip-p=2V正弦波信号，在滤波器截止频率附近改变输入信 号频率，观察电路是否具备高
7、通特性。(2) 测绘高通滤波器的幅频特性曲线，记入表8-2。表8 2f(Hz)UOP-P (v)3、带通滤波器实验电路如图8 4(a)，测量其频率特性。记入表8 3。(1) 实测电路的中心频率fO以实测中心频率为中心，测绘电路的幅频特性表8 3f(Hz)Uop-p (v)4、带阻滤波器实验电路如图8 5(a)所示。(1) 实测电路的中心频率f0(2) 测绘电路的幅频特性，记入表8-4。表8 4f(Hz)Uop-p (v)五、实验总结1、整理实验数据，画出各电路实测的幅频特性。2、根据实验曲线，计算截止频率、中心频率，带宽及品质因数。3、总结有源滤波电路的特性。六、预习要求1、复习教材有关滤波器
8、内容2、分析图8 2，8 3，8 4，8 5所示电路，写出它们的增益特性表达 式3、计算图8 2，8 3的截止频率，8 4，8 5的中心频率4、画出上述四种电路的幅频特性曲线实验九电压比较器一、实验目的1、掌握电压比较器的电路构成及特点2、学会测试比较器的方法二、实验设备与器件4、万用表5、二极管6、运算放大器ix A741X 28、电阻器等1、12V直流电源2、函数信号发生器3、双踪示波器7、稳压管 2CW231X1三、实验原理电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参 考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平 或低电平。比较器可以组成非
9、正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等 领域。图9-1所示为一最简单的电压比较器，Ur为参考电压，加在运放的同相输入端，输入电压u加在反相输入端。(a)电路图(b)传输特性图9-1电压比较器当UjVUR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压Uz，艮口u=Uz当u U时，运放输出低电平，D正向导通，输出电压等于稳压管的正向压 i RZ降，艮口u =UD因此，以Ur为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态。高电位 和低电位。表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，称为传输特性。图9 1(b) 为(a)图比较器的传输特性。常用的电压比较器有过
10、零比较器、具有滞回特性的过零比较器、双限比较器 (又称窗口比较器)等。1、过零比较器电路如图9-2所示为加限幅电路的过零比较器，Dz为限幅稳压管。信号从 运放的反相输入端输入，参考电压为零，从同相端输入。当q0时，输出U= -(U+U),当U V0时，U = + (U+U)。其电压传输特性如图9-2 (b)所示。Z DiOZ D过零比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。(a)过零比较器(b)电压传输特性图9-2过零比较器2、滞回比较器图9-3为具有滞回特性的过零比较器过零比较器在实际工作时，如果恰好在过零值附近，则由于零点漂移的存在，u将不断由一个极限值转换到另一个极限值，这在控制系统中，
11、对执行机 O构将是很不利的。为此，就需要输出特性具有滞回现象。如图9-3所示，从输出端引一个电阻分压正反馈支路到同相输入端，若u改变状态，E点也随(a)电路图(b)传输特性图9-3滞回比较器着改变电位，使过零点离开原来位置。当u为正(记作U+) U =U， oZ Rf + R2 +则当u U后，u即由正变负(记作U )，此时U变为一U。故只有当u下降到i EO-EEi一七以下，才能使uo再度回升到U,于是出现图9-3(b)中所示的滞回特性。-ue与七的差别称为回差。改变R2的数值可以改变回差的大小。3、窗口(双限)比较器简单的比较器仅能鉴别输入电压*比参考电压Ur高或低的情况，窗口比较 电路是
12、由两个简单比较器组成，如图9-4所示，它能指示出*值是否处于U；和U-之间。如U- VUjV U,窗口比较器的输出电压Uo等于运放的正饱和输出电压(+U )，如果U V U-或U U +，则输出电压U等于运放的负饱和输出电压 omaxi Ri R0fax）。(b)传输特性图94由两个简单比较器组成的窗口比较器四、实验内容1、过零比较器实验电路如图9 2所示(1)接通12V电源。(2)测量ui悬空时的Uo值。ui输入500Hz、幅值为2V的正弦信号，观察也一楫波形并记录。(4)改变*幅值，测量传输特性曲线。2、反相滞回比较器实验电路如图9-5所示(1) 按图接线，u接+ 5V可调直流电源，测出u
13、由+U 一U时u的临iOomcxomcxi界值。(2) 同上，测出u由一U +U时u的临界值。Oomcxomcxi(3) ui接500Hz，峰值为2V的正弦信号，观察并记录ui-uo波形。(4) 将分压支路100K电阻改为200K，重复上述实验，测定传输特性。3、 同相滞回比较器实验线路如图9-6所示(1) 参照2，自拟实验步骤及方法(2) 将结果与2进行比较Ui10KRf 100K图9-6同相滞回比较器4、窗口比较器参照图9-4自拟实验步骤和方法测定其传输特性。五、实验总结1、整理实验数据，绘制各类比较器的传输特性曲线2、总结几种比较器的特点，阐明它们的应用。六、预习要求1、复习教材有关比较
14、器的内容2、画出各类比较器的传输特性曲线。3、若要将图9-4窗口比较器的电压传输曲线高、低电平对调，应如何改动 比较器电路。一、实验目的1、2、实验十波形发生器学习用集成运放构成正弦波、方波和三角波发生器。 学习波形发生器的调整和主要性能指标的测试方法。二、实验设备与器件2、双踪示波器4、二极管 IN4001X26、电阻器、电容器若干1、12V直流电源3、集成运算放大器“A741X25、稳压管 2CW231X1三、实验原理由集成运放构成的正弦波、方波和三角波发生器有多种形式，本实验选用最 常用的，线路比较简单的几种电路加以分析。1、RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）图10-1为RC桥式正弦
15、波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路， 同时兼作选频网络，、r2、rw及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电 位器Rw，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反 向并联二极管D、D正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D、D采用硅管（温度1212稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是 为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。图10-1 RC桥式正弦波振荡器电路的振荡频率fo - 2nRC起振的幅值条件f N2R1式中R =R +R +（R r ）, r 二极管正向导通电阻。 f W 23 D D调整反馈电阻Rf （调Rw）,使电
16、路起振，且波形失真最小。如不能起振，则 说明负反馈太强，应适当加大Rf。如波形失真严重，则应适当减小Rf。改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频 率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。2、方波发生器由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积 分器两大部分。图10-2所示为由滞回比较器及简单RC积分电路组成的方波一 三角波发生器。它的特点是线路简单，但三角波的线性度较差。主要用于产生方 波，或对三角波要求不高的场合。图102方波发生器电路振荡频率12RfCfLn(1 + 2R2)1式中 R =R + R R =R + R 11 W22 W方波
17、输出幅值U =UomZU = R2 U三角波输出幅值Cm R1 + R2 Z调节电位器RW （即改变R2/R1）,可以改变振荡频率，但三角波的幅值也随 之变化。如要互不影响，则可通过改变Rf （或Cf）来实现振荡频率的调节。3、三角波和方波发生器如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图10-3所示， 则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自 动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。图10-4为方波、三角波 发生器输出波形图。由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三 角波线性大大改善。图10-3三角波、方波发生器电路振荡频率frf
18、 =2。4R (R + R )C1 fW f方波幅值u =uomZ三角波幅值Uo广 R1UZ2调节Rw可以改变振荡频率，改变比值可调节三角波的幅值。2四、实验内容1、RC桥式正弦波振荡器按图10-1连接实验电路。1）接通12V电源，调节电位器Rw，使输出波形从无到有，从正弦波到出 现失真。描绘u。的波形，记下临界起振、正弦波输出及失真情况下的Rw值，分 析负反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。2）调节电位器Rw，使输出电压uo幅值最大且不失真，用示波器分别测量 输出电压Uopp、反馈电压u+pp和Upp，分析研究振荡的幅值条件。3）用示波器测量振荡频率f。,然后在选频网络的两个电阻R上并联同一
19、阻 值电阻，观察记录振荡频率的变化情况，并与理论值进行比较。4）断开二极管D1、D2,重复2）的内容，将测试结果与2）进行比较，分析D1、 D2的稳幅作用。2、方波发生器按图10-2连接实验电路。1）将电位器Rw调至中心位置，用双踪示波器观察并描绘方波uo及三角波 u的波形（注意对应关系），测量其幅值及频率，记录之。C2）改变R动点的位置，观察u、u幅值及频率变化情况。把动点调至最上WO C端和最下端，测出频率范围，记录之。3）将R恢复全中心位置，将一只稳压管短接，观察u波形，分析D的限WOZ幅作用。3、三角波和方波发生器按图10-3连接实验电路。1）将电位器Rw调至合适位置，用双踪示波器观察
20、并描绘三角波输出u0及方波输出u，测其幅值、频率及R值，记录之。改变rw的位置改变ri （或R2）实验总结2)3)五、观察对uo、u观察对uo、W,幅值及频率的影响。u幅值及频率的影响。1、正弦波发生器1）列表整理实验数据，画出波形，把实测频率与理论值进行比较2）根据实验分析RC振荡器的振幅条件3）讨论二极管DD2的稳幅作用。2、方波发生器1）列表整理实验数据，在同一座标纸上，按比例画出方波和三角波的波形 图（标出时间和电压幅值）。2）分析Rw变化时，对u波形的幅值及频率的影响。3）讨论Dz的限幅作用。3、三角波和方波发生器1）整理实验数据，把实测频率与理论值进行比较。2）在同一坐标纸上，按比
21、例画出三角波及方波的波形，并标明时间和电压 幅值。3）分析电路参数变化（RR2和Rw）对输出波形频率及幅值的影响。六、预习要求1、复习有关RC正弦波振荡器、三角波及方波发生器的工作原理，并估算 图101、10 2、10 3电路的振荡频率。2、设计实验表格3、为什么在RC正弦波振荡电路中要引入负反馈支路？为什么要增加二极 管D1和D它们是怎样稳幅的？4、 电路参数变化对图10 2、10 3产生的方波和三角波频率及电压幅值 有什么影响？（或者：怎样改变图10 2、10 3电路中方波及三角波的频率及 幅值？）5、在波形发生器各电路中，“相位补偿”和“调零”是否需要？为什么？6、怎样测量非正弦波电压的幅值？
