ADALM1000 SMU培训 主题10:低通和高通滤波器

在《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通过获取RC低通滤波器和RL高通滤波器的频率响应来研究分析无源滤波器的特性。

背景:

无源滤波器由电阻、电容和电感等无源元件组成,,但不包括运算放大器、晶体管等放大器元件。因为没有信号增益,无源滤波器的输出电平总是小于输入。

电容和电感的阻抗与频率相关。电感阻抗与频率成正比,电容阻抗与频率成反比。可利用这些特性来选择或抑制输入信号的某些频率。这种对频率的选择和抑制称为滤波,执行滤波的电路称为滤波器。

如果滤波器通过高频并抑制低频,则它是高通滤波器。反之,如果它通过低频并抑制高频,则它是低通滤波器。与大多数事物一样,滤波器不可能很完美。它们不可能绝对通过某些频率并绝对抑制其他频率。如果信号输出幅度(电压幅度)在最大幅度的70%或1/√2范围内,则认为通过该频率,否则为抑制该频率。70%幅度处的频率称为截止频率、滚降频率或半功率频率。

图2.低通滤波器。

在低频时,与电阻R的阻值相比,电容阻抗非常大。这意味着电容两端的电压电位Vo将远远大于电阻两端的电压降。在高频时则正好相反,由于电容阻抗值的变化,Vo 很小而VR1 很大。

RC滤波器的截止频率:

Equation 1
图3.RL高通滤波器。

在低频时,与电阻R的阻值相比,电感阻抗非常小。这意味着电感两端的电压电势Vo将远远小于电阻两端的电压降。在高频时则正好相反,由于电感阻抗值的变化,Vo 变得很大而VR1 变得很小。

RL滤波器的截止频率:

Equation 2

频率响应:滤波器输出电压幅度与频率成函数关系的曲线图。它通常用于表征滤波器的正常工作频率范围。

图4.一个截止频率为fc的典型低通滤波器的频率响应。

材料:

  • ADALM1000 硬件模块
  • 电阻 (1 kΩ)
  • 电容 (1 μF)
  • 电感 (20 mH)

步骤:

  1. RC低通滤波器:
    图5.RC电路试验板连接。
    1. 在无焊试验板上搭建如图2所示的RC电路,使用的元件为 R1 = 1 kΩ, C1 = 1 μF.
    2. Channel A AWGMin值设为0.5 V,Max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 Mode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 Mode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50 Hz低频开始,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RC低通滤波器的截止(滚降)频率。
  2. RL高通滤波器
    图6.RL电路试验板连接。
    1. 在无焊试验板上搭建如图3所示的RL电路,使用的元件为 R1 = 1 kΩ, L = 20 mH.
    2. 重复A中的步骤2和3,获得示波器输出。
    3. 从20 kHz高频开始,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。小幅逐步降低通道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高通滤波器的截止(滚降)频率。

问题:

使用公式1和公式2计算RC低通和RL高通滤波器的截止频率。将计算所得的理论值与实验测量值进行比较,并对任何可能的差异做出合理的解释。

附录:

使用其他元件值

在指定值不易获得的情况下,可以用其他元件值代替。元件的电抗(XC或XL)随频率而变化。例如,若使用4.7 mH电感,而不是要求的47 mH电感,那么只需将测试频率从250 Hz提高到2.5 kHz即可。用1.0μF电容替换指定的10.0μF电容时也是如此。

使用RLC阻抗计工具

ALICE Desktop(桌面工具)包括一个阻抗分析仪/RLC仪,可用于测量串联电阻(R)和电抗(X)。作为本实验活动的一部分,使用此工具测量元件R、L和C以确认测试结果可能是有益的。

图7.步骤5截图,Time/Div设置为0.5 ms。
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:

  • ALICE桌面软件提供如下功能:
  • ► 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。