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重庆大学实验06:滤波器(Filter).doc

重庆大学实验06:滤波器(Filter)

晓一
2018-09-06 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《重庆大学实验06:滤波器(Filter)doc》,可适用于工程科技领域

实验六:滤波器(Filter)**一、实验目的:了解基本低通及带通滤波器之设计方法。利用实验模组实际测量以了解滤波器的特性。学会使用微波软件对低通和高通滤波器的设计和仿真并分析结果。.预习内容:.熟悉滤波器的相关原理等理论知识。.熟悉滤波器设计的相关理论知识。.实验设备:项次设备名称数量备注MOTECHRF测量仪套亦可用网络分析仪低通滤波器模组组RFKMA(modA)带通滤波器模组组RFKMA(modB)ΩBNC连接线条CA、CAMΩBNC连接线条CA、CAMICROWAVE软件套微波软件.实验理论分析:()滤波器的种类以信号被滤掉的频率范围来区分可分为低通(Lowpass)、高通(Highpass)、带通(Bandpass)及带阻(Bandstop)四种。若以滤波器的频率响应来分则常见的有巴特渥兹型(Butterworth)、切比雪夫I型(TchebeshevTypeI)、切比雪夫Ⅱ型(TchebeshevTypeⅡ)及椭圆型(Elliptic)等若按使用元件来分则可分为有源型及无源型两类。其中无源型又可分为LC型(LCLumped)及传输线型(Transmissionline)。而传输线型以其结构不同又可分为平行耦合型(ParallelCoupled)、交叉指型(Interdigital)、梳型(Combline)及发针型(Hairpinline)等等不同结构。本实验以较常用的巴特渥兹型(Butterworth)、切比雪夫I型(TchebeshevTypeI)为例说明其设计方法。首先了解Butterworth及TchebeshevTypeI低通滤波器的响应图。(a)Butterowrth(b)TchebyshevType其中rp(dB)通带纹波(passbandripple),N元件级数数(orderofelementforlowpassprototype)ω截通比(stopbandtopassbandratio)ω=fcfx(forlowpass)=BWpBWx(forbandpass)其中fcdB截止频率(dBcutofffrequency)fx截止频率(stopbandfrequency)BWp通带频宽(passbandbandwidth)BWx截止频宽(stopbandbandwidth)Tn(()为柴比雪夫多项式(Tchebysheypolynomals)其中图(a)(b)即是三级巴特渥兹型B(ω)与三种不同纹波和级数的切比雪夫型的截通比响应的比较图。理论上在通带内巴特渥兹型是无衰减的(Maximunflat)而切比雪夫型较同级数的巴特渥兹型有较大的衰减量。实际应用上除非在通带内要求必须是平坦响应(flatresponse)外大多允许通带内少量衰减因而一般采用切比雪夫型以获得较大的截通效应或减少元件级数。图(a)巴特渥兹型与切比雪夫型通带响应比较图图(b)巴特渥兹型与切比雪夫型截通带响应比较图其中:B(ω)三级巴特渥兹型的衰减响应T(ω)纹波为dB的三级切比雪夫型的衰减响应T(ω)纹波为dB的五级切比雪夫型的衰减响应T(ω)指纹波为dB的七级切比雪夫型的衰减响应(二)低通滤波器设计方法:(A)巴特渥兹型(ButterworthLowpassFilter)步骤一:确定参数。电路阻抗(Impedance):Z(ohm)截止频率(CutoffFrequency):fc(Hz)截通频率(StopbandFrequency):fc(Hz)通带衰减量阻带衰减量步骤二:计算元件级数(Orderofelements,N):,N取最接近的整数步骤三:计算原型元件值(PrototypeElementValuesgK):步骤四:先选择串L并C型或并C串L型再根据公式计算实际电感电容值:(a)串L并C型(b)并C串L型(B)切比雪夫I型(TchebyshevTypeILowpassFilter)步骤一:确定参数。电路阻抗(Impedance):Zo(ohm)截止频率(CutoffFrequency):fc(Hz)阻带频率(StopbandFrequency):fx(Hz)通带纹波量(MaximumRippleatpassband):rp(dB)阻带衰减量(MinimumAttenuationatstopband):Ax(dB)步骤二:计算元件级数(Orderofelements,N)其中N取最接近的奇整数。采用奇整数是为了避免切比雪夫低通原型在偶数级时其输入与输出阻抗不相等。步骤三:计算原型元件值(PrototypeElementValues,gk):其中步骤四:先选择串L并C型或并C串L型再依据公式计算实际电感电容值。(a)串L并C型(b)并C串L型(二)带通滤波器设计方法:步骤一:确定参数。电路阻抗(Impedance):Zo(ohm)上通带频率(upperpassbandedgefrequency):fPU(Hz)下通带频率(lowerpassbandedgefrequency):fPL(Hz)上截止频率(upperstopbandedgefrequency):fXU(Hz)下截止频率(lowerstopbandedgefrequency):fXL(Hz)通带衰减量(MaximumAttenuationatpassband):AP(dB)阻带衰减量(MinimumAttenuationatstopband):AX(dB)步骤二:计算元件级数(Orderofelements,N)。其中()巴特渥兹型(Butterworth)N取最接近的整数()切比雪夫I型(TchebeshevType)N取最接近的奇整数步骤三:计算低通原型元件值(PrototypeElementValues,gk)其公式如前所示。并选择串L并C型或并C串L型计算出实际电容(Cp)、(Ls)值。(a)串L并C型(b)并C串L型步骤四:计算带通原型元件变换值。由低通原型实际元件值依据下列变换对照表计算出带通原型实际元件值并用带通原型变换电器取代低通原型电路元件以完成带通电路结构。低通原型电路元件带通原型变换电路变换公式电容电感图(a)N=串L并C型低通滤波器电路原型图(a)N=并C串L型低通滤波器电路原型图(c)N=串L并C型带通滤波器电路原型图(d)N=并C串L型带通滤波器电路原型五、硬件测量:.对于MODA低通滤波器的S及S测量以了解LC型低通滤波器电路的特性对于MODB带通滤波器的S及S测量以了解LC型带通滤波器电路的特性。.准备电脑、测量软件RF,相关模组若干小器件等。.测量步骤:⑴MODA之P端子的S测量:设定频段BAND对模组P端子做S测量并将测量结果记录于表()中。⑵MODA之P及P端子的S测量:设定频段:BAND对模组P及P端子做S测量并将测量结果记录于表()中。⑶MODB之P端子的S测量:设定频段:BAND对模组P端子做S测量并将测量结果记录于表()中。⑷MODB之P及P端子的S测量:设定频段:BAND对模组P及P端子做S测量并将测量结果记录于表()中。.实验记录表、、、均为以下此表、硬件测量的结果建议如下为合格:RFKMAMODA(DCMHZ)S≤dBS≥DB≤MHZMODB(PASSBAND)S≤dBMHZ(PASSBAND)RecordFplS=dBRecordFphS=dB(STOPBAND)RecordFxlAttn=dBFxhAttn=dB、待测模组方框图:低通滤波器和带通滤波器六、软件仿真:.这里以实例分析为例先通过理论公式计算出各个元件值。.然后进入微波软件MICROWAVE在原理图上设计好相应的电路设置好端口完成频率设置、尺寸规范、器件的加载、仿真图型等等的设置。.最后进行仿真结果应接近实际测量所得到的仿真图形。.如果不符合要求再调试直到达到要求为止。.电路图如前面图图(a)(N=并C串L型低通滤波器电路原型)七.实例分析:()设计一个衰减为dB截止频率为MHz的切比雪夫型dB纹波LC低通滤波器(Zo=ohm)并且要求该滤波器在MHz至少有dB的衰减。解:步骤一:决定规格。电路阻抗(Impedance):Zo=ohm截止频率(CutoffFrequency):fc=MHz截通频率(StopbandFrequency):fx=MHz通带衰减量(MaxAttenuationatcutofffrequency):Ap=dB阻带衰减量(MinAttenuationatstopbandfrequency):Ax=dB步骤二:计算元件级数(Orderofelements,N)。,N取最接近的整数N=步骤三:计算原型元件值(PrototypeElementValues,gk)。Ggggg步骤四:选择并C串L型。CCCCC理论值pFnHpFnHpF采用值pFnFpFnHpF八、Mathcad分析:利用mathcad软件编制程序进行滤波器设计。见文件夹‘中文mcd’中的文件‘带通滤波器mcd’和‘低通滤波器mcd’。CpLpCpLsCsLsunknownbinunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownbinunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknown

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