ADALM1000 SMU培训 主题12:带通滤波器

《模拟对话》2017年12月文章中介绍SMU ADALM1000 之后,我们希望继续进行一些小的基本测量。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)通过级联低通滤波器和高通滤波器构建带通滤波器;2)获取滤波器的频率响应,并学习如何使用波特图绘图仪软件。

背景知识:

带通滤波器允许特定频率范围的信号通过,同时阻止或衰减较低频率和较高频率的信号。它允许频率在两个截止频率之间的信号通过,同时衰减频率在截止频率之外的信号。

带通滤波器的一个典型应用是音频信号处理,可保留特定频率范围的音频信号,而衰减其余的信号。另一个应用是从通信系统的信号范围中选择特定信号。

带通滤波器可以通过级联具有滚降频率fL的高通RL滤波器和具有滚降频率fH的低通RC滤波器来构建,因此:

Equation 1

低端截止频率的计算公式为:

Equation 2

高端截止频率的计算公式为:

Equation 3

可通过频率的带宽计算公式为:

Equation 4

滤波器衰减所有低于fL和高于fH频率的信号,只允许在这两个频率之间的信号通过。

图2.带通滤波器电路。

在上一个关于并联LC谐振的实验中,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的计算公式如下:

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3显示了带通滤波器的典型频率响应。

图3.带通滤波器的频率响应。
图4.带通滤波器的连接。

材料:

  • ADALM1000 硬件模块
  • 电阻 (1.0 kΩ)
  • 电容 (0.047 μF)
  • 电感 (20 mH)

程序

  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 = 0.047 μF,L1 = 20 mH。
    图5.带通滤波器试验板连接。
  2. 将通道AAWG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波形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. 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自动电平。将迟缓设为2 msec。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. 从低频开始,我们在本示例中使用100 Hz,在示波器屏幕上测量输出电压CB-V的峰峰值。它应当比通道A的输出低很多。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RL高通滤波器部分的截止(滚降)频率。
  5. 继续增加通道A的频率,直到通道B的峰峰值电压降回至通道A的峰峰值电压的0.7倍左右。计算在示波器上达到这一电压值时的频率。这样就得到了构建的RC低通滤波器部分的截止(滚降)频率。请注意,这个70%幅值点在带通滤波器上出现两次: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所示的带通电路。设置R1 = 1.0 kΩ,C1 = 0.047 μF和L1 = 20 mH,我们可以从500 Hz到12,000 Hz扫描输入频率,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。打开波特图绘图仪。

模式下拉菜单中选择峰值保持模式。在FFT窗口菜单中选择平顶窗。单击+样本按钮,直至选择了4096个样本。在曲线菜单中选择CA-dBVCB-dBV相位B-A。.

选项下拉菜单中单击Cut-DC

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。

使用开始频率按钮将扫描开始频率设为500 Hz,并使用停止频率按钮将扫描停止频率设为12,000 Hz。选择CHA作为扫描通道。同时使用扫描步进按钮输入频率步进的数值,在这里将其设为700。

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700个点需要几分钟的时间),您将会看到类似于图6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,并使用截屏工具保存波特图,将其包括在实验报告中。

图6.波特图分析仪设置。

为了更好地理解这个并联LC滤波器的频率特性,绘制仅使用电容(即移除电感)时的低通频率响应。进行相同的频率扫描并截取增益(CB-db – CA-dB)和相对相位(CA – CB)的屏幕截图。现在绘制仅使用电感时的高通频率响应(即将电感放回并移除电容)。图7所示的波特图显示了这些结果。注意,低通和高通增益相同且相对相位总和为零(约+ 70°和-70°)的频率为谐振频率。

图7.低通和高通响应。

问题:

  1. 使用公式1和公式2计算构建的每个带通滤波器的截止频率。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。

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8.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。