模电自主实验 - 图文

模电自主设计实验报告

信号采样与恢复和巴特沃斯低通滤

波器研究

课程名称： 模电实验 课程时间： 2014年春 学生姓名： 学生班级： 学生学号： 联系电话：

信号采样与恢复和巴特沃斯低通滤波器研究

1.实验目的

1.熟悉并理解巴特沃斯滤波器的电路及工作原理；

2.锻炼数据处理能力以及分析数据总结巴特沃斯滤波器特点； 3.培养对于电路元件的理解和学习能力； 4.联系利用实验器材设计并完成实验的能力。

2.总体设计方案或技术路线

1.查阅资料，了解巴特沃斯滤波器工作相关特点，对于元件有初步认识； 2.对元件进行理论分析，并设计设计电路图（如图1）；

3.由设计的电路图，对部分内容进行仿真测试，确定电路工作参数； 4.根据电路及参数搭接电路图，输入不同波形观察输出效果； 5.取正弦波形输入，改变频率，记录输出值； 6.绘制巴特沃斯滤波器的幅频曲线；

7.对仿真和实验数据进行整体分析，归纳定理验证结论及受控源对电路的影响； 8.对整个实验过程进行总结，分析可能产生误差的原因。

3.实验电路图

图1

图2

24R110kΩRF10kΩV115 V U1V33UA741CD71565 Vrms R220kΩ50 ` Hz 0° Key=AC10.01μFV215 V RL10kΩ4. 仪器设备名称、型号

1.ua741集成放大器 AD633模拟乘法器 2.函数信号发生器 3.双踪示波器

4.交直流试验箱 5.导线、电阻

6.Pspice仿真软件

7.Multisim电路仿真软件

5.理论分析或仿真分析结果

1.理论分析

(1)巴特沃斯滤波器

巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种。巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年发表在英国《无线电工程》期刊的一篇论文中提出的。

巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。 在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。

一阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频6分贝，每十倍频20分贝。二阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12分贝、 三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18分贝、如此类推。巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，并且也是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同的形状。

查阅资料可知巴特沃斯滤波器幅频曲线满足以下关系（理论推导较为复杂，故在此从略），同时由于在低频段受频率影响绩效，因此巴特沃斯滤波器也被称为曲线最平滑的滤波器。

（2）信号的采集与恢复

离散时间信号可以从连续时间信号经采样获得。采样信号()sft可以看成连续信号()ft和一组开关函数()St的乘积。()St是一组周期性窄脉冲。由对采样信号进行傅里叶级数分析可知，采样信号的频谱包括了原连续信号以及无限多个经过平移的原信号频谱。平移的频率等于采样频率sf及谐波频率2sf、3sf . . . 。当采样后的信号是周期性窄脉冲时，平移后的型号频率的幅度按sin/xx规律衰减。采样的频谱是原信号频谱的周期性延拓，它占有的频带要比原信号频谱宽得多。

采样信号在一定条件下可以恢复原来的信号，只要用一截止频率等于原信号频谱中最高频率nf的低通频率器，滤去信号中所有的高频分量，就得到只包含原信号频谱的全部内容，即低通滤波器的输出为恢复后的原信号。

连续信号的采样和恢复过程如下图

本实验中具体电路实现原理如下：

对于输入正弦波，利用一个模拟乘法器，使输入与一个与采集频率相当，高电平为一，低电平为零的方波相乘，就可以得到初步的数字信号；又由于得到的数字采样信号实质是由高频的采样方波和低频的正弦电路叠加而成，因此，继续将采样信号通过低通滤波器，就可以近似得到最初的输入波形。 2.仿真结果 仿真电路图： 幅特曲

5Vac0VdcV30V10kC10.01uR42-797.6uVuA741-0VR110kR210k-816.9uVU13+-836.6uV0VV170015Vdc5OS261R310kn1V-V+OUTOS1-15.00VV215Vdc频性线：

4000V

12V8V4V0V1.0HzV(N1)3.0Hz10Hz30Hz100Hz300Hz Frequency1.0KHz3.0KHz10KHz30KHz100KHz

相频特性曲线：

0d-50d-100d1.0HzP(V(N1))3.0Hz10Hz30Hz100Hz300Hz Frequency1.0KHz3.0KHz10KHz30KHz100KHz6.详细实验步骤及实验结果数据记录（包括各仪器、仪表量程及内阻的记录）

1.按照参阅资料设计并连接连接电路图；

2.对于电路图进行仿真，从而根据仿真结果确定实验所需的参数，（电路仿真结果如下面图像所示）；

R110k0VR210k-816.9uVU13R420V5Vac0VdcV310kC10.01u-797.6uVuA741-+-836.6uV0VV1

n1R310k70015Vdc5OS261V+OUT

4015Vdc0V-OS1-15.00VV20V

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