信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M濾波器課件

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握低通無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)；2、學(xué)會(huì)將無(wú)源低通濾波器向帶通、高通濾波器的轉(zhuǎn)換；3、了解常用有源低通濾波器、高通濾器、帶通濾波器、帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)與特性；4、了解巴特沃思低通濾器與切比雪夫低通濾波器的特點(diǎn)；5、學(xué)會(huì)用信號(hào)源與示波器測(cè)量濾波器的頻響特性。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握低通無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)；1二、預(yù)備知識(shí)

1、

學(xué)習(xí)“模擬濾波器的逼近”；2、

系統(tǒng)函數(shù)的展開方法；3、低通濾波器的結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換方法；

二、預(yù)備知識(shí)1、學(xué)習(xí)“模擬濾波器的逼近”；2二、預(yù)備知識(shí)預(yù)習(xí)報(bào)告中回答以下問(wèn)題：1、實(shí)際中常用的濾波器電路類型有哪些，有何特點(diǎn)？2、有源濾波器、無(wú)源濾波器的概念，優(yōu)缺點(diǎn)和各自的應(yīng)用場(chǎng)合？3、繪出低通、帶通、帶阻、高通四種濾波器的理想頻響曲線及實(shí)際頻響曲線，兩者有何根本區(qū)別，產(chǎn)生原因？二、預(yù)備知識(shí)預(yù)習(xí)報(bào)告中回答以下問(wèn)題：3三、實(shí)驗(yàn)原理模擬濾波器根據(jù)其通帶的特征可分為：（1）低通濾波器：允許低頻信號(hào)通過(guò)，將高頻信號(hào)衰減；（2）高通濾波器：允許高頻信號(hào)通過(guò)，將低頻信號(hào)衰減；（3）帶通濾波器：允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，將此頻帶外的信號(hào)衰減；（4）帶阻濾波器：阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而允許此頻帶以外的信號(hào)衰減；三、實(shí)驗(yàn)原理模擬濾波器根據(jù)其通帶的特征可分為：4三、實(shí)驗(yàn)原理各種濾波器的頻響特性圖：(c)帶通濾波電路(d)帶阻濾波電路(a)低通濾波電路(b)高通濾波電路三、實(shí)驗(yàn)原理各種濾波器的頻響特性圖：(c)帶通濾波電路5三、實(shí)驗(yàn)原理在這四類濾波器中，又以低通濾波器最為典型，其它幾種類型的濾波器均可從它轉(zhuǎn)化而來(lái)。對(duì)于模擬低通濾波器的設(shè)計(jì)方法，一般是通過(guò)逼近的設(shè)計(jì)方法。在最常用的濾波器中又以巴特沃思濾波器、切比雪夫?yàn)V波器最常用。三、實(shí)驗(yàn)原理在這四類濾波器中，又以低通濾波器最為典型，其它幾6三、實(shí)驗(yàn)原理1、巴特沃思濾波器其頻響特性為：特點(diǎn)：1）最大平坦性：其濾波器在0頻點(diǎn)處附近一段范圍內(nèi)是非常平直的，它是以原點(diǎn)的最大平坦性來(lái)逼近理想低通濾波器；2）通帶、阻帶下降的單調(diào)性；3）具有良好的相頻特性；4）3dB的不變性：隨N的增加，頻帶邊緣下降越陡峭，越接近理想特性。但不管N是多少，幅頻特性都通過(guò)3dB點(diǎn)。三、實(shí)驗(yàn)原理1、巴特沃思濾波器7三、實(shí)驗(yàn)原理2、切比雪夫?yàn)V波器其頻響特性為：特點(diǎn)：1）所有曲線通過(guò)（，）點(diǎn)，因而把定義為切比雪夫?yàn)V波器的截止角頻率；2）在通帶內(nèi)，在1和之間變化；在通帶外，單調(diào)下降；3）通帶內(nèi)波動(dòng)均勻性；4）相位的非線性特性。三、實(shí)驗(yàn)原理2、切比雪夫?yàn)V波器8四、實(shí)驗(yàn)儀器1、JH5004“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)箱 一臺(tái)；2、20MHz示波器 一臺(tái)；3、低頻信號(hào)源（0Hz～2MHz） 一臺(tái)；四、實(shí)驗(yàn)儀器1、JH5004“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)箱 一臺(tái)；9五、實(shí)驗(yàn)?zāi)K說(shuō)明五、實(shí)驗(yàn)?zāi)K說(shuō)明10五、實(shí)驗(yàn)?zāi)K說(shuō)明該模塊上一共設(shè)計(jì)了四個(gè)無(wú)源濾波器與六個(gè)有源濾波器，下面從上到下、從左到右逐一介紹濾波器的類型：（1）四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器；（2）四階無(wú)源巴特沃思帶通濾波器；（3）六階無(wú)源巴特沃思低通濾波器，其3dB點(diǎn)在2MHz；（4）六階無(wú)源巴特沃思高通濾波器，其過(guò)渡頻率在2MHz；（5）二階有源巴特沃思低通濾波器，其3dB點(diǎn)在50KHz；（6）二階有源巴特沃思高通濾波器，其3dB點(diǎn)在50KHz；（7）二階有源巴特沃思帶通濾波器，其中心頻點(diǎn)在64KHz；（8）二階有源巴特沃思帶阻濾波器，其中心頻點(diǎn)在32KHz；（9）二階有源切比雪夫低通濾波器，其3dB點(diǎn)在32KHz；（10）八階有源切比雪夫低通濾波器，其3dB點(diǎn)在3400Hz。

五、實(shí)驗(yàn)?zāi)K說(shuō)明該模塊上一共設(shè)計(jì)了四個(gè)無(wú)源濾波器與六個(gè)有源濾11六、實(shí)驗(yàn)步驟1、無(wú)源濾波器的測(cè)量：（1）四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量（A）3dB頻點(diǎn)測(cè)量：首先用低頻信號(hào)源產(chǎn)生一1KHz的正弦信號(hào)，測(cè)量四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器在該頻點(diǎn)的輸出幅度；然后不斷增加信號(hào)源的輸出頻率，當(dāng)濾波器輸出信號(hào)的幅度為原來(lái)的0.707時(shí)，低頻信號(hào)源的頻率即為該濾波器的3dB頻點(diǎn)。（B）濾波器的頻響特性測(cè)量：用低頻信號(hào)源產(chǎn)生一正弦信號(hào)，然后不斷增加信號(hào)源的輸出頻率（20KHz一個(gè)步進(jìn)），測(cè)量相應(yīng)頻點(diǎn)濾波器輸出信號(hào)的幅度，并記錄下來(lái)。以頻率與輸出幅度（可換算成相對(duì)0點(diǎn)的相對(duì)電平值，其單位為dB）為變量畫出一曲線，則該曲線即為該濾波器頻響特性曲線。六、實(shí)驗(yàn)步驟1、無(wú)源濾波器的測(cè)量：12六、實(shí)驗(yàn)步驟（2）四階無(wú)源巴特沃思帶通濾波器特性測(cè)量（A）帶通濾波器中心頻點(diǎn)測(cè)量：首先用低頻信號(hào)源產(chǎn)生一正弦信號(hào)，改變信號(hào)源的輸出頻率，當(dāng)濾波器輸出信號(hào)的幅度為最大，低頻信號(hào)源的頻率即為該帶通濾波器的中心頻點(diǎn)。（B）帶通濾波器的頻響特性測(cè)量：用低頻信號(hào)源產(chǎn)生一正弦信號(hào)，其頻率在帶通濾波器中心頻率附近。然后不斷增加或減少信號(hào)源的輸出頻率（20KHz一個(gè)步進(jìn)），測(cè)量相應(yīng)頻點(diǎn)的濾波器輸出信號(hào)的幅度，并記錄下來(lái)。以頻率與輸出幅度（可換算成相對(duì)0點(diǎn)的相對(duì)電平值，其單位為dB）為變量畫出一曲線，則該曲線即為該濾波器頻響特性曲線。六、實(shí)驗(yàn)步驟（2）四階無(wú)源巴特沃思帶通濾波器特性測(cè)量13六、實(shí)驗(yàn)步驟（3）六階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量：（A）3dB頻點(diǎn)測(cè)量：方法同四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量。（B）濾波器的頻響特性測(cè)量：方法同四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量。（4）六階無(wú)源巴特沃思高通濾波器特性測(cè)量：（A）3dB頻點(diǎn)測(cè)量：首先用低頻信號(hào)源找出六階無(wú)源巴特沃思高通濾波器在高端頻率點(diǎn)的輸出幅度（在該頻點(diǎn)附近信號(hào)輸出保持不變），以該點(diǎn)的輸出信號(hào)幅度為參考。降低信號(hào)源的輸出頻率，當(dāng)濾波器輸出信號(hào)的幅度為參考輸出幅度的0.707時(shí)，低頻信號(hào)源的頻率即為該高通濾波器的3dB頻點(diǎn)。（B）濾波器的頻響特性測(cè)量：用低頻信號(hào)源產(chǎn)生一正弦信號(hào)，然后不斷增加信號(hào)源的輸出頻率（20KHz一個(gè)步進(jìn)），測(cè)量相應(yīng)頻點(diǎn)的濾波器輸出信號(hào)的幅度，并記錄下來(lái)。以頻率與輸出幅度（可換算成相對(duì)0點(diǎn)的相對(duì)電平值，其單位為dB）為變量畫出一曲線，則該曲線即為該濾波器頻響特性曲線。六、實(shí)驗(yàn)步驟（3）六階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量：14六、實(shí)驗(yàn)步驟2、有源濾波器特性測(cè)量：（1）二階有源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量：測(cè)量方法自擬。（2）二階有源巴特沃思高通濾波器特性測(cè)量：測(cè)量方法自擬。（3）二階有源巴特沃思帶通濾波器特性測(cè)量：測(cè)量方法自擬。（4）二階有源巴特沃思帶阻濾波器特性測(cè)量：測(cè)量方法自擬。（5）二階有源切比雪夫低通濾波器特性測(cè)量：測(cè)量方法自擬。（6）八階有源切比雪夫低通濾波器特性測(cè)量：測(cè)量方法自擬。注：選作1、2、4。

六、實(shí)驗(yàn)步驟2、有源濾波器特性測(cè)量：15七、思考問(wèn)題1、指出四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性與六階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性的差異，并說(shuō)明其原因？2、指出二階有源巴特沃思低通濾波器特性與二階有源切比雪夫低通濾波器特性的差異，并說(shuō)明原因？3、結(jié)合預(yù)習(xí)問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，探討衡量濾波器的性能參數(shù)有哪些（以理想濾波器為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)），說(shuō)明每個(gè)參數(shù)的引入原因。4、實(shí)驗(yàn)體會(huì)（知識(shí)領(lǐng)會(huì)、實(shí)踐能力）。七、思考問(wèn)題1、指出四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性與六階無(wú)源16八、報(bào)告要求一、預(yù)習(xí)報(bào)告實(shí)驗(yàn)前應(yīng)認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，了解?shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容，掌握實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)，并寫出預(yù)習(xí)報(bào)告，內(nèi)容包括：1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備連接方框圖，并標(biāo)明測(cè)試點(diǎn)；3、實(shí)驗(yàn)記錄表格及測(cè)試步驟；4、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上規(guī)定的其它內(nèi)容。八、報(bào)告要求一、預(yù)習(xí)報(bào)告17精品課件！精品課件！18精品課件！精品課件！19八、報(bào)告要求二、總結(jié)報(bào)告1、實(shí)驗(yàn)儀器名稱、型號(hào)和編號(hào)；2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析；3、實(shí)驗(yàn)方法及儀器使用總結(jié)；4、問(wèn)題討論；實(shí)驗(yàn)報(bào)告在實(shí)驗(yàn)完成后一周內(nèi)交給指導(dǎo)教師，一律用采用學(xué)校統(tǒng)一的《學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告》書寫，裝訂成冊(cè)，實(shí)驗(yàn)波形一律在坐標(biāo)方格紙上由繪圖尺完成。八、報(bào)告要求二、總結(jié)報(bào)告20一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握低通無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)；2、學(xué)會(huì)將無(wú)源低通濾波器向帶通、高通濾波器的轉(zhuǎn)換；3、了解常用有源低通濾波器、高通濾器、帶通濾波器、帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)與特性；4、了解巴特沃思低通濾器與切比雪夫低通濾波器的特點(diǎn)；5、學(xué)會(huì)用信號(hào)源與示波器測(cè)量濾波器的頻響特性。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握低通無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)；21二、預(yù)備知識(shí)

1、

學(xué)習(xí)“模擬濾波器的逼近”；2、

系統(tǒng)函數(shù)的展開方法；3、低通濾波器的結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換方法；

二、預(yù)備知識(shí)1、學(xué)習(xí)“模擬濾波器的逼近”；22二、預(yù)備知識(shí)預(yù)習(xí)報(bào)告中回答以下問(wèn)題：1、實(shí)際中常用的濾波器電路類型有哪些，有何特點(diǎn)？2、有源濾波器、無(wú)源濾波器的概念，優(yōu)缺點(diǎn)和各自的應(yīng)用場(chǎng)合？3、繪出低通、帶通、帶阻、高通四種濾波器的理想頻響曲線及實(shí)際頻響曲線，兩者有何根本區(qū)別，產(chǎn)生原因？二、預(yù)備知識(shí)預(yù)習(xí)報(bào)告中回答以下問(wèn)題：23三、實(shí)驗(yàn)原理模擬濾波器根據(jù)其通帶的特征可分為：（1）低通濾波器：允許低頻信號(hào)通過(guò)，將高頻信號(hào)衰減；（2）高通濾波器：允許高頻信號(hào)通過(guò)，將低頻信號(hào)衰減；（3）帶通濾波器：允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，將此頻帶外的信號(hào)衰減；（4）帶阻濾波器：阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而允許此頻帶以外的信號(hào)衰減；三、實(shí)驗(yàn)原理模擬濾波器根據(jù)其通帶的特征可分為：24三、實(shí)驗(yàn)原理各種濾波器的頻響特性圖：(c)帶通濾波電路(d)帶阻濾波電路(a)低通濾波電路(b)高通濾波電路三、實(shí)驗(yàn)原理各種濾波器的頻響特性圖：(c)帶通濾波電路25三、實(shí)驗(yàn)原理在這四類濾波器中，又以低通濾波器最為典型，其它幾種類型的濾波器均可從它轉(zhuǎn)化而來(lái)。對(duì)于模擬低通濾波器的設(shè)計(jì)方法，一般是通過(guò)逼近的設(shè)計(jì)方法。在最常用的濾波器中又以巴特沃思濾波器、切比雪夫?yàn)V波器最常用。三、實(shí)驗(yàn)原理在這四類濾波器中，又以低通濾波器最為典型，其它幾26三、實(shí)驗(yàn)原理1、巴特沃思濾波器其頻響特性為：特點(diǎn)：1）最大平坦性：其濾波器在0頻點(diǎn)處附近一段范圍內(nèi)是非常平直的，它是以原點(diǎn)的最大平坦性來(lái)逼近理想低通濾波器；2）通帶、阻帶下降的單調(diào)性；3）具有良好的相頻特性；4）3dB的不變性：隨N的增加，頻帶邊緣下降越陡峭，越接近理想特性。但不管N是多少，幅頻特性都通過(guò)3dB點(diǎn)。三、實(shí)驗(yàn)原理1、巴特沃思濾波器27三、實(shí)驗(yàn)原理2、切比雪夫?yàn)V波器其頻響特性為：特點(diǎn)：1）所有曲線通過(guò)（，）點(diǎn)，因而把定義為切比雪夫?yàn)V波器的截止角頻率；2）在通帶內(nèi)，在1和之間變化；在通帶外，單調(diào)下降；3）通帶內(nèi)波動(dòng)均勻性；4）相位的非線性特性。三、實(shí)驗(yàn)原理2、切比雪夫?yàn)V波器28四、實(shí)驗(yàn)儀器1、JH5004“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)箱 一臺(tái)；2、20MHz示波器 一臺(tái)；3、低頻信號(hào)源（0Hz～2MHz） 一臺(tái)；四、實(shí)驗(yàn)儀器1、JH5004“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)箱 一臺(tái)；29五、實(shí)驗(yàn)?zāi)K說(shuō)明五、實(shí)驗(yàn)?zāi)K說(shuō)明30五、實(shí)驗(yàn)?zāi)K說(shuō)明該模塊上一共設(shè)計(jì)了四個(gè)無(wú)源濾波器與六個(gè)有源濾波器，下面從上到下、從左到右逐一介紹濾波器的類型：（1）四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器；（2）四階無(wú)源巴特沃思帶通濾波器；（3）六階無(wú)源巴特沃思低通濾波器，其3dB點(diǎn)在2MHz；（4）六階無(wú)源巴特沃思高通濾波器，其過(guò)渡頻率在2MHz；（5）二階有源巴特沃思低通濾波器，其3dB點(diǎn)在50KHz；（6）二階有源巴特沃思高通濾波器，其3dB點(diǎn)在50KHz；（7）二階有源巴特沃思帶通濾波器，其中心頻點(diǎn)在64KHz；（8）二階有源巴特沃思帶阻濾波器，其中心頻點(diǎn)在32KHz；（9）二階有源切比雪夫低通濾波器，其3dB點(diǎn)在32KHz；（10）八階有源切比雪夫低通濾波器，其3dB點(diǎn)在3400Hz。

五、實(shí)驗(yàn)?zāi)K說(shuō)明該模塊上一共設(shè)計(jì)了四個(gè)無(wú)源濾波器與六個(gè)有源濾31六、實(shí)驗(yàn)步驟1、無(wú)源濾波器的測(cè)量：（1）四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量（A）3dB頻點(diǎn)測(cè)量：首先用低頻信號(hào)源產(chǎn)生一1KHz的正弦信號(hào)，測(cè)量四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器在該頻點(diǎn)的輸出幅度；然后不斷增加信號(hào)源的輸出頻率，當(dāng)濾波器輸出信號(hào)的幅度為原來(lái)的0.707時(shí)，低頻信號(hào)源的頻率即為該濾波器的3dB頻點(diǎn)。（B）濾波器的頻響特性測(cè)量：用低頻信號(hào)源產(chǎn)生一正弦信號(hào)，然后不斷增加信號(hào)源的輸出頻率（20KHz一個(gè)步進(jìn)），測(cè)量相應(yīng)頻點(diǎn)濾波器輸出信號(hào)的幅度，并記錄下來(lái)。以頻率與輸出幅度（可換算成相對(duì)0點(diǎn)的相對(duì)電平值，其單位為dB）為變量畫出一曲線，則該曲線即為該濾波器頻響特性曲線。六、實(shí)驗(yàn)步驟1、無(wú)源濾波器的測(cè)量：32六、實(shí)驗(yàn)步驟（2）四階無(wú)源巴特沃思帶通濾波器特性測(cè)量（A）帶通濾波器中心頻點(diǎn)測(cè)量：首先用低頻信號(hào)源產(chǎn)生一正弦信號(hào)，改變信號(hào)源的輸出頻率，當(dāng)濾波器輸出信號(hào)的幅度為最大，低頻信號(hào)源的頻率即為該帶通濾波器的中心頻點(diǎn)。（B）帶通濾波器的頻響特性測(cè)量：用低頻信號(hào)源產(chǎn)生一正弦信號(hào)，其頻率在帶通濾波器中心頻率附近。然后不斷增加或減少信號(hào)源的輸出頻率（20KHz一個(gè)步進(jìn)），測(cè)量相應(yīng)頻點(diǎn)的濾波器輸出信號(hào)的幅度，并記錄下來(lái)。以頻率與輸出幅度（可換算成相對(duì)0點(diǎn)的相對(duì)電平值，其單位為dB）為變量畫出一曲線，則該曲線即為該濾波器頻響特性曲線。六、實(shí)驗(yàn)步驟（2）四階無(wú)源巴特沃思帶通濾波器特性測(cè)量33六、實(shí)驗(yàn)步驟（3）六階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量：（A）3dB頻點(diǎn)測(cè)量：方法同四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量。（B）濾波器的頻響特性測(cè)量：方法同四階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量。（4）六階無(wú)源巴特沃思高通濾波器特性測(cè)量：（A）3dB頻點(diǎn)測(cè)量：首先用低頻信號(hào)源找出六階無(wú)源巴特沃思高通濾波器在高端頻率點(diǎn)的輸出幅度（在該頻點(diǎn)附近信號(hào)輸出保持不變），以該點(diǎn)的輸出信號(hào)幅度為參考。降低信號(hào)源的輸出頻率，當(dāng)濾波器輸出信號(hào)的幅度為參考輸出幅度的0.707時(shí)，低頻信號(hào)源的頻率即為該高通濾波器的3dB頻點(diǎn)。（B）濾波器的頻響特性測(cè)量：用低頻信號(hào)源產(chǎn)生一正弦信號(hào)，然后不斷增加信號(hào)源的輸出頻率（20KHz一個(gè)步進(jìn)），測(cè)量相應(yīng)頻點(diǎn)的濾波器輸出信號(hào)的幅度，并記錄下來(lái)。以頻率與輸出幅度（可換算成相對(duì)0點(diǎn)的相對(duì)電平值，其單位為dB）為變量畫出一曲線，則該曲線即為該濾波器頻響特性曲線。六、實(shí)驗(yàn)步驟（3）六階無(wú)源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量：34六、實(shí)驗(yàn)步驟2、有源濾波器特性測(cè)量：（1）二階有源巴特沃思低通濾波器特性測(cè)量：測(cè)量方法自擬。（2）二階有源巴特沃思高通濾波器特性測(cè)量：測(cè)量方法自擬。（3）二階有源巴特沃思帶通濾波器特性測(cè)量：測(cè)量方法自