波形分解与合成实验报告

实验报告

课程名称：电路与电子技术实验Ⅱ指导老师：张德华成绩：__________________ 实验名称：波形分解与合成实验类型：模拟电路实验 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得

一、实验目的和要求

1.了解有源带通滤波器的工作原理、特点；

2.掌握有源带通滤波器典型电路的设计、分析与实现；

3.学习有源带通滤波器典型电路的频率特性测量方法、电路调试与参数测试，了解其滤波性能； 4.了解非正弦信号离散频谱的含义；

5.利用有源带通滤波器、放大器实现波形的分解与合成； 6.通过仿真方法进一步研究有源带通滤波电路，了解不同的有源带通滤波器结构、参数对滤波性能的影响。 二、实验内容和原理 实验内容： 1.原理分析； 2.频率特性； 3.滤波效果；

4.波形的分解与合成。 实验原理： 0.滤波器

⑴定义：

让指定频段的信号通过，而将其余频段上的信号加以抑制，或使其急剧衰减。（选频电路）

⑵分类：

a)按照器件类型分类：

无源滤波器：由电阻、电容和电感等无源元件组成； 有源滤波器：采用集成运放和RC网络为主体； b)按照频段分类：

低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）；

通带：能够通过（或在一定范围内衰减）的信号频率范围； 阻带：被抑制（或急剧衰减）的信号频率范围； 过渡带越窄，说明滤波电路的选频特性越好。

P.2

实验名称：波形分解与合成

⑷关键指标：

传递函数（频率响应特性函数）Av：反映滤波器增益随频率的变化关系； 固有频率（谐振频率）fc、ωc：电路无损耗时的频率参数，其值由电路器件决定； 通带增益：A0（针对LPF）、A∞（针对HPF）、Ar（针对BPF）； 截止频率（-3dB频率）fp、ωp：增益下降到通带增益时所对应的频率；

品质因数Q：反映滤波器频率特性的一项重要指标，不同类型滤波器的定义不同（低通、高通滤波器中，定义为当f = fc时增益模与通带增益模之比）。

1.二阶多重负反馈型有源带通滤波器

⑴电路原理图：

⑵关键指标：

2.二阶单一正反馈型有源带通滤波器

⑴电路原理图：

⑵关键指标：

P.3

实验名称：波形分解与合成 3.波形分解与合成

⑴傅里叶级数：

满足狄里赫利条件（即在一个周期内，具有有限个极值点、有限个间断点和绝对可积）的周期函数均可分解为傅里叶级数。利用傅里叶级数，可以将非正弦周期信号分解为一系列不同频率的正弦分量（即直流信号、基波和各次谐波信号的叠加）。

定义一周期信号：f(t)=f(t+kT)，其中T为周期，k为任意整数；对应的傅里叶级数（三角函数形式）为：

其中，ω1=2π/T称为基波角频率，a0、an、bn称为傅里叶系数。

傅里叶级数的另种表示方式：

其中，A0=a0/2称为直流分量；A1cos(ω1t+φ1)称为基波分量；n>2以后的分量分别称为二次、三次至高次谐波分量。 ⑵波形分解与合成：

波形分解：将周期信号分解为直流、基波和高次谐波。（滤波器）

波形合成：将直流、基波和足够多的高次谐波叠加（逼近）成波形。（移相器+加法器） 方波信号（峰值为Vm）的傅里叶级数：

P.4

实验名称：波形分解与合成 三、主要仪器设备

1.ACL-ZD-II型模拟电子技术实验箱； 2.TDS1002C-EDU型数字示波器； 3.LM358集成运放；

4.DG1022U信号发生器； 5.万用表。

四、操作方法和实验步骤

1.二阶多重负反馈型有源带通滤波器

取R1=30kΩ，R2=60kΩ，R3=155.78Ω，R=0kΩ，C1=0.1μF，C2=0.1μF，按照原理图连接电路，输入Vpp=3V（实测为3.04V）正弦信号，逐渐改变频率，测量各点幅值与相位值；输入混频信号（由加法器电路实现），观察滤波效果。

2.波形分解与合成

输入采用方波信号，用两个中心频率分别为fm和3fm的带通滤波器实现波形分解；用移相器与加法器实现波形合成。

五、实验数据记录和处理

1.二阶多重负反馈型有源带通滤波器

Δφ/º

-91.2

-93.2

-101

-104

-178

107

100

96.8

92

91.4

90

幅频特性

相频特性

P.5

实验名称：波形分解与合成

滤波效果

PSpice仿真：

P.6

实验名称：波形分解与合成 2.波形分解与合成

⑴电路原理图：

左上为一次谐波电路，左下为三次谐波电路，右上为五次谐波电路，右下为七次谐波电路。

一次谐波与原信号

P.7

实验名称：波形分解与合成

三次谐波与原信号

一次谐波与三次谐波叠加

一次谐波与五次谐波叠加

P.8

实验名称：波形分解与合成

PSpice仿真：

六、实验结果与分析

1.二阶多重负反馈型有源带通滤波器

本次实验所用滤波器为波形分解实验中一次谐波电路，标称中心频率500Hz，由幅频曲线可得电路基本满足要求。

2.波形分解与合成

一次谐波实验效果较好，但仿真的一次谐波幅值未达到理论值，原因待查。三次谐波实验效果也较好，五次谐波的实验效果较差。因此合成效果一般。

七、讨论、心得

本次实验的一大挑战就是电路的设计。虽然理论计算并没有什么难度，但是由于实验箱电位器个数的限制，电路中所用电阻的阻值很难精确实现。我采用的方法是先把理论计算值进行近似，例如一次谐波中的R2，用60kΩ的电阻替代63661的精确值。对于近似后仍然难以匹配的电阻，则用串并联的方法实现。而近似导致的误差显然极大地影响了实验效果。一次谐波的效果好是因为实际操作时R3是用电位器实现，可调出最理想的波形，但是三次谐波、五次谐波的电路中没有电位器，效果明显较差。

另外，仿真中我把每个电阻值都调成与理论值相同的参数，原理图如下：

但是结果却是幅值不达标，我自己没有找到原因。

因为花了过多时间在凑出各个电阻上面，导致没有时间做其他想做的扩展实验，如其他类型的带通滤波器等，实在是令人遗憾。

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