信号课程设计模拟低通滤波器设计与测试分析.docx

《信号系统与信息处理》综合性、设计性实验《模拟低通滤波器的设计与测试分析》院系：物理与电信工程学院年级：本科生2012级姓名：温美华学号：20123100123日期：2014年06月11日目 录一、实验目的2二、实验内容简述2三、理论计算2四、软件仿真2五、硬件测试2六、实验结果分析2模拟低通滤波器的设计与测试分析温美华(华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州 510006)实验目的在软硬件常规实验的基础上，运用“信号与系统”的理论知识，设计、分析、测试基本电路系统，初步掌握综合运用理论知识、软件仿真以及硬件测试进行简单系统的设计与分析的基本方法。为同学创造应用实践的契机，培养同学的自学能力和钻研能力。实验内容简述选取一个有源低通滤波器，制作硬件电路。系统的软件仿真内容可选取时域、频域和S域中的部分内容或全部内容。如在时域中分别研究系统的冲激响应、阶跃响应，以及不同激励信号下的系统零状态响应；在频域中的幅频特性、相频特性等。对自己制作的硬件电路，完成系统特性的相关测试。如冲激响应、阶跃响应、频响曲线等。理论计算1、实验电路图：AP图1 二阶有源低通滤波电路选取电容，电阻，运算放大器构成如图1所示的二阶有源低通滤波电路。其中电阻、电容取值如图所示,运算放大器起电压跟随器作用无放大作用（即放大倍数为1）。2、传递函数计算集成运算放大器起电压跟随器的作用，则有：而VP(S)与VA(S)的关系为： 对于节点A，应用KCL可得：联立上述各式，可得电路的传递函数为：3、该低通滤波器为二阶巴特沃思滤波器，其传递幅值传递函数为：用代入上式，则有幅频响应： 相频响应：其中，为特征角频率，,当时也是时的3dB截止角频率，此时，即截止角频率为。软件仿真所使用的仿真软件：SystemView1、在SystemView中连线，如下图所示：图2 二阶有源低通滤波器仿真2、Sink0和Sink1为输入信号，Sink3为传递函数（设置低通滤波器参数），Sink4显示Sink0的波形，Sink5显示Sink1的波形，Sink6显示Sink0和Sink1相加后的波形，Sink7显示Sink6经过传递函数后的输出波形。传递函数参数的设置如图3所示。图3 传递函数的设置3、只选用Sink0作为输入信号，选用信号为起始时间为0.5s、幅度为1的冲激函数。Sink7显示输出波形如图4所示。图4 冲激响应其波形与冲激信号基本一致，冲激信号出现后，波形出现震荡。4、只选用Sink0作为输入信号，选用信号为起始时间为0.5s、幅度为1的阶跃函数。Sink7显示输出波形如图5所示。图5 阶跃响应其波形与阶跃信号基本一致，阶跃信号出现后，波形出现震荡。5、选用Sink0，Sink1作为输入信号，其中sink0为频率8KHZ、幅度1的正弦波，sink0为频率100KHZ、幅度1的正弦波，波形如图6（a），6（b）所示。Sink6显示两者相加后的波形，如图6（c）所示。Sink7显示经过传递函数后的输出波形，如图6（d）所示。图6（a）图6（b）图6（c）图6（d）由图6可知，经过低通滤波器后，100KHZ的正弦波基本被滤去，波形与8KHZ的正弦波基本一致，存在一定的震荡。6、点击传递函数查看波特图，观察本低通滤波器的相频特性及幅频特性。图7 该低通滤波器幅频特性及相频特性左边为幅频特性曲线的纵轴，右边为相频特性的纵轴。五、硬件测试1、实际电路如图8 所示：所用运算放大器器件LM741：2脚反相输入端，3脚同相输入端，4脚正向工作电压12V，7脚反向工作电压-12V，6脚输出图8 实际二阶有源低通滤波电路2、时域及频域的硬件测试结果与软件仿真结果基本一致。实验步骤及简单结果如下：分别输入三角波、正弦波、方波，得到效果图如图所示：图9（a）图9（b） 图9（c）结果与理论分析一致六、实验结果分析1实验中，输入为冲激（阶跃）信号时，通过滤波器后输出波形与冲激（阶跃）信号基本一致，冲激（阶跃）信号出现后存在一定震荡。与理论基本一致。2实验中，当输入为高频率（100KHZ）正弦波与低频率（8KHZ）正弦波叠加时，通过低通滤波器后，高频率正弦波被滤去，剩下低频率正弦波,但存在一定的震荡。与理论基本一致。3由实验幅频特性曲线可知，当f≈16KHZ时，幅度下降3db即进入截止状态，与理论计算的结果基本一致。6