ADALM1000 SMU培训 主题13:带阻滤波器

《模拟对话》2017年12月文章中介绍SMU ADALM1000 之后, 我们希望继续介绍一些小的基本测量。如需参阅之前的ADALM1000文章,请点击 此处

图1. ADALM1000原理图。

目标

本实验活动的目标是:

  1. 将低通滤波器和高通滤波器结合在一起,构成带阻滤波器。将会使用一个串联LC电路。
  2. 使用波特图绘图仪软件工具,获得滤波器频率响应。

背景知识

带阻滤波器,也称为陷波或带拒滤波器,可阻止特定范围的频率信号通过,同时允许更低和更高频率信号以较低衰减通过。 它去除或截除两个截止频率之间的信号,同时让截止频率之外的信号通过。

带阻滤波器的一个典型应用是音频信号处理,用于去除特定范围内不需要的频率,例如噪声或杂声,但不衰减余下的频率。另一个应用是通信系统中从某一信号范围摒除特定信号。

带阻滤波器可以通过滚降频率为fL的高通RL滤波器和滚降频率为fH的低通RC滤波器构建而成,因此:

Equation 1

高端截止频率的计算公式为:

Equation 2

低端截止频率的计算公式为:

Equation 3

抑制频率的带宽计算公式为:

Equation 4

滤波器允许所有低于fL和高于fH频率的信号通过,只衰减这两个频率之间的信号。图2所示的L和C系列组合就是这样一个滤波器。

图2. 带阻滤波器电路。

根据前一篇关于并联LC谐振的文章,我们也可以使用LC谐振公式来计算带通滤波器的中心频率,谐振频率ωo通过下式计算:

Equation 5

Equation 6

频率响应

为了显示电路如何响应一定的频率范围,可以绘制滤波器输出电压幅度(振幅)随频率变化的曲线图。它通常用于表征滤波器的正常工作频率范围。图2显示了带通滤波器的典型频率响应。

图3. 带阻滤波器频率响应。

材料

  • ADALM1000 硬件模块
  • 电阻R1 1.0 kΩ
  • 电容C1 0.1 μF(标记104)
  • 电感L1(一个20 mH,或者两个10 mH串联)

步骤

  1. 在无焊试验板上搭建如图2所示的滤波器电路,使用的元件为R1 = 1 kΩ,C1 = 0.1 μF,L1 = 20 mH。
    图4. 带阻滤波器试验板连接。
  2. 将通道A AWG最小值设为0.5 V,最大值设为4.5V,从而生成一个峰峰值为4 V,中心为2.5 V的正弦波,作为输入电压施加于电路。在AWG A模式下拉菜单中选择SVMI模式。在AWG A Shape下拉菜单中选择正弦波。在AWG B模式下拉菜单中选择高阻抗模式。
  3. 在ALICE曲线下拉菜单中选择显示CA-VCB-V。在触发器下拉菜单中选择CA-V和自动电平。将迟缓设为2(ms)。调节时间基准,直到显示屏方格上大约可显示两个周期的正弦波信号。在Meas CA下拉菜单中选择CA-V下的峰峰值,并对CB执行同样操作。同样,在 Meas CA菜单中选择A-B相位。
  4. 从低频(100 Hz)开始,在示波器屏幕上测量输出电压CB-V的峰峰值。它应当与通道A的输出相同。小幅逐步增加通道A的频率,直到通道B的峰峰值电压大约为通道A的峰峰值电压的0.7倍。计算70% V p-p的值并在示波器上获得达到这一电压值时的频率。这样就得到了构建的滤波器RL时间常量的截止(滚降)频率。
  5. 继续增加通道A的频率,直到通道B的峰峰值电压降至最小值。测量在示波器上获得达到这一电压值时的频率。这得到了构建的滤波器串联LC谐振部分的中心频率。请注意,这个70%幅值点在带阻滤波器上出现两次:分别在低端截止频率和高端截止频率上。

利用ALICE波特图绘图仪绘制频率响应曲线

ALICE桌面软件可以显示波特图,它是给定网络的幅度和相位与频率的关系图。步骤如下:

  • 使用图2中的带通电路,设置R1 = 1.0 kΩ,C1 = 0.1 μF和L1 = 20 mH,这样我们可以扫描500 Hz到12,000 Hz的输入频率,并绘制通道A和B的信号幅度以及通道B和A之间的相对相位角度。
  • 将电路连接到ALM1000(如图2所示),启动ALICE桌面软件。
  • 打开波特图绘图工具。在曲线菜单中选择CA-dBVCB-dBV和相位B-A
  • 在选项菜单中,将填充零的设置更改为2。
  • 将AWG通道A最小值设为1.086,最大值设为3.914。这个范围是以模拟输入范围中间值2.5 V为中心的1 V rms (0 dBV)幅度。将AWG A模式设置为SVMI,将波形设置为正弦波。将AWG通道B设置为高阻抗模式。确保选中同步AWG复选框。
  • 在开始频率选项下将扫描开始频率设为100 Hz,在停止频率 选项下将扫描停止频率设为20,000 Hz。在Sweep Gen下,选择CHA作为扫描通道。同时在扫描步进选项下输入频率步进的数值,在这里将其设为200。

您现在将可以按下绿色的运行按钮进行频率扫描。扫描完成后(扫描200个点需要几秒钟的时间),您将会看到类似于图5所示的屏幕截图。您也许想使用LVLdB/div按钮来优化曲线,使之与屏幕网格的适配度最佳。

记录结果,并截屏保存波特图。

图5. 带阻滤波器波特图分析仪设置。

问题

  1. 使用公式1和公式2计算构建的每个带阻滤波器的截止频率。将这些理论值与实验值进行比较,并对任何可能的差异做出合理的解释。

您可以在 学子专区博客上找到问题答案。

注释

与所有ALM实验室一样,当涉及与ALM1000连接器的连接和配置硬件时,我们使用以下术语。绿色阴影矩形表示与ADALM1000模拟I/O连接器的连接。模拟I/O通道引脚被称为CA和CB。当配置为驱动电压/测量电流时,添加-V,例如CA-V;当配置为驱动电流/测量电压时,添加-I,例如CA-I。当通道配置为高阻态模式以仅测量电压时,添加-H,例如CA-H。

示波器迹线同样按照通道和电压/电流来指称,例如:CA-V和CB-V指电压波形,CA-I和CB-I指电流波形。

对于本文示例,我们使用的是ALICE 1.1版软件。

文件:alice-desktop-1.1-setup.zip。请点击 此处下载。

ALICE桌面软件提供如下功能:

  • 双通道示波器,用于时域显示和电压/电流波形分析。
  • 双通道任意波形发生器(AWG)控制。
  • X和Y显示,用于绘制捕捉的电压/电流与电压/电流数据,以及电压波形直方图。
  • 双通道频谱分析仪,用于频域显示和电压波形分析。
  • 波特图绘图仪和内置扫描发生器的网络分析仪。
  • 阻抗分析仪,用于分析复杂RLC网络,以及用作RLC仪和矢量电压表。
  • 一个直流欧姆表相对于已知外部电阻或已知内部50 Ω电阻测量未知电阻。
  • 使用ADALP2000模拟器件套件中的AD584精密2.5 V基准电压源进行电路板自校准。
  • ALICE M1K电压表。
  • ALICE M1K 表源。
  • ALICE M1K 桌面工具。

欲了解更多信息,请点击 此处

注:需要将ADALM1000连接到你的PC才能使用该软件。

图6. ALICE桌面1.1菜单。

作者

Doug Mercer

Doug Mercer

Doug Mercer 在1977至2009年间一直在ADI公司从事全职工作,最后14年担任ADI公司研究员。ADI公司高速转换器产品系列的30多款标准产品都有他的贡献,AD783就是其中一款。自2009年起,他转而担任ADI公司的兼职顾问研究员,最近主要是作为ADI公司与伦斯勒理工学院的联络人,从事本科生电气工程教育推广和发展方面的工作。

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus [antoniu.miclaus@analog.com]是ADI公司的系统应用工程师,从事ADI学术项目、Circuits from the Lab®嵌入式软件和QA过程管理工作。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡开始在ADI公司工作。

他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生,拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。