实验二  无源和有源滤波器

一、  实验目的

1.了解滤波器的原理。

2.了解RC无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性。

3.分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性。

4.掌握扫频电源的使用方法（TKSS-C型）。

二、仪器设备

1.信号与系统实验箱TKSS－C型。

2.双踪示波器。

三、原理说明

滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频带范围）的信号通过，而其它频率的信号受到衰减或抑制，这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可以由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。

根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）四种。把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。而通带与阻带的分界点的频率ωc称为截止频率或称转折频率。图2.1中的|H(jω)|为通带的电压放大倍数，ω₀为中心频率，ωcL和ωcH分别为低端和高端截止频率。

 

                                                       

图2.1 四种滤波器的滤波特性

四种滤波器的实验线路如图2.2所示：

 

  (a)无源低通滤波器             (b)有源低通滤波器

                            图2.2.1

 

        (c) 无源高通滤波器           (d)有源高通滤波器

图2.2.2

 (e)无源带通滤波器             (f)有源带通滤波器

                              图2.2.3

          (g)无源带阻滤波器              (h)有源带阻滤波器

                                图2.2.4

图2.2  各种滤波器的实验线路图

3.图2.3所示，滤波器的频率特性H（jω）（又称为传递函数），它用下式表示

 

（2-1）

式中A（ω）为滤波器的幅频特性，θ(ω)为滤波器的相频特性。它们都可以通过实验的方法来测量。

                ＋                                    ＋

                －                                    －

                                              

                             图2.3  滤波器

四、预习要求

1.为使实验能顺利进行，做到心中有数，课前对教材的相关内容和实验原理、目的与要求、步骤和方法要作充分的预习（并预期实验的结果）。

2.推导各类无源和有源滤波器的频率特性，并据此分别画出滤波器的幅频特性曲线。

    3.在方波激励下，预测各类滤波器的响应情况。

五、实验内容及步骤

1.滤波器的输入端接正弦信号发生器或扫频电源，滤波器的输出端接示波器或交流数字毫伏表。

2.测试无源和有源低通滤波器的幅频特性。

    （1）测试RC无源低通滤波器的幅频特性。

实验电路如图2.2.1（a）所示。

实验时，必须在保持正弦波信号输入电压（U₁）幅值不变的情况下，逐渐改变其频率，用实验箱提供的数字式真有效值交流电压表（10Hz<f＜1MHz），测量RC滤波器输出端电压U₂的幅值，并把所测的数据记录表一。注意每当改变信号源频率时，都必须观测一下输入信号使之保持不变。实验时应接入双踪示波器，分别观测输入和输出的波形（注意：在整个实验过程中应保持恒定不变）。

表一：

（2）测试RC有源低通滤器的幅频特性
    实验电路如图2.2.1（b）所示。

取R＝1K、C＝0.01uF、放大系数K＝1。测试方法用（1）中相同的方法进行实验操作，并将实验数据记入表二中。

表二：

3.分别测试无源、有源HPF、BPF、BEF的幅频特性。

    实验步骤、数据记录表格及实验内容，自行拟定。

4.研究各滤波器对方波信号或其它非正弦信号输入的响应（选做，实验步骤自拟）。

六、思考题

   1.试比较有源滤波器和无源滤波器各自的优缺点。

    2.各类滤波器参数的改变，对滤波器特性有何影响。

七、注意事项

    1.在实验测量过程中，必须始终保持正弦波信号源的输出（即滤波器的输入）电压U₁幅值不变，且输入信号幅度不宜过小也不宜过大（一般2V-3V之间）。

2.在进行有源滤波器实验时，输出端不可短路，以免损坏运算放大器。

3.用扫频电源作为激励时，可很快得出实验结果，但必须熟读扫频电源的操作和使用说明。

八、实验报告

1.根据实验测量所得的数据，绘制各类滤波器的幅频特性。对于同类型的无源和有源滤波器幅频特性，要求绘制在同一坐标纸上，以便比较。计算出各自特征频率、截止频率和通频带。

2.比较分析各类无源和有源滤波器的滤波特性。

3.分析在方波信号激励下，滤波器的响应情况（选做）。

4.写出本实验的心得体会及意见。

 

第二篇：有源和无源滤波器的区别

无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成。

有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。

无源滤波装置

该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用；由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。

国际上广泛使用的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。

1)单调谐滤波器：一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单；缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加，而电炉正好是低次谐波，主要是2～7次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时，基波损耗可减少20～50％，属节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器，但组成复杂些，投资也高些，用于电弧炉系统中，2次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。

2)高通(宽频带)滤波器，一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时，对5次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。

有源滤波器

虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器(Active PowerFliter，缩写为APF)。

APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点：

a．不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；

b．滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险； c．具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点