状态滤波器动态特性实验

状态滤波器动态特性实验
一、 实验目的
1、 了解三种状态滤波器设计的基本原理方法及滤波范围。
2、 了解典型信号通过各种状态滤波器后的响应情况。
3、 了解各种状态滤波器特性参数变化时，典型信号输出的变化情况。
4、 以滤波器为例掌握二阶系统动态特性测试的二种基本方法。
1） 阶跃响应法测量低通滤波器的时域特性指标。
2） 正弦响应法测量低通滤波器 带通滤波器 高通滤波器 的特性曲线。
5、熟悉信号发生器、模拟和数字示波器、 滤波器动态特性实验仪 、电机动平衡实
验仪的使用方法。
二、实验原理
1、实验所用仪器简介及连线图
本实验所用仪器有滤波器特性实验仪、信号发生器、示波器和动平衡测试仪，连线方式
如图2.1 所示。

图2.1 实验系统连接图

信号发生器可以产生方波信号和正弦信号，其频率和幅度可以任意调节；
示波器用于显示信号的波形；动平衡仪用于测量正弦信号的幅值和相位；（ G V 为方波基准信
号，相位为IN V 相对G V 的相位）
2、滤波器特性实验仪如图2.2 所示。

跟踪滤波器前的衰减器可以由衰减开关1 来选择，0 位对应×1，1 位对应×1/2。2 位
对应×1/4，3 位对应×1/8。
Vout 为输出插口，对于信号点可以由测点切换开关2 来选择。0 位对应VIN，1 位对应VLP，
2 位对应VBP，3 位对应VHP。
VG 为VLn 经过零触发产生的基准信号。

由于状态滤波器为一典型二阶系统，且不同的滤波器有不同的滤波范围。因而当输入信
号的类型、频率改变时，其输出响应就会变化。因而三种状态滤波器具有各自不同的测量范
围。同时通频带也会随着三种状态滤波器的特性参数的变化而变化。
三、实验方法、内容及步骤
1、利用示波器定性观察典型信号通过各种状态滤波器后的响应情况。
1）按图2.1 连线，状态滤波器中心频率调至60 = 4000 n f 转/分
2）信号发生器分别发出方波信号和正弦信号，并不断改变输入信号的频率（从
f = 5Hz − −120Hz每隔15Hz 改变一次）。
3）通过示波器定性观察典型信号通过各种状态滤波器后的响应变化情况，并得出结论。
2、利用示波器定性观察典型二阶系统的固有频率、阻尼率改变时，典型信号通过各种状
态滤波器后的响应变化情况。
按图2.1 连线，状态滤波器中心频率调至60 = 2500 3500 4000 n f 转/分时，阻尼率
分别调至ξ = 0.3 0.7 1.0 时分别观察状态滤波器的响应变化情况，并得出结论。

4、正弦响应法测试lp V ， bp V ， hp V 的频响曲线。
信号源选择正弦信号输出给跟踪滤波器，这时输出lp V ， bp V 和hp V 也是正弦信号，但幅
值和初相角发生了变化。用平衡仪分别测试输入正弦信号与三种滤波器输出信号的幅值和相
角，由此可以计算滤波器在此频率下的幅频特性和相频特性。如( ) sin(2 ) 0 x x t = x πft +φ ，
( ) sin(2 ) 0 y y t = y πft +φ ，测得0 x ， x
φ
0 y ， y
φ 则
0 0 A( f ) = y x y x φ ( f ) =φ −φ （8）
改变频率即可测得各频率下的幅频和相频特性，从而画出幅频特性曲线和相频特性曲
线，仪器连线如图2.1 所示。
实验步骤：
（1） 动平衡仪输入通道数N=99。
（2） 状态滤波器阻尼率调至ξ = 0.7 、中心频率调至4000 转/分。
（3） 信号发生器输出正弦信号，频率从60fn=500 转/分——6500 转/分。
（4） 利用动平衡测试仪测出各个频率正弦信号输入下，三种状态滤波器输入、输出
的幅值及相位，填写表2.1 并画图。
注1：平衡仪测速显示n 60 f 即转/分。
注2：平衡仪相角取负。
注3：平衡仪为一测试系统，有自身的放大率和相移，但对(8)式成立不影响。
注4： y
φ 从360o 变为小量后应加360o 。
四、实验要求
1、阶跃输入响应法测二阶低通滤波器特性，如图2.3 所示。

图2.3 二阶系统低通滤波器的阶跃响应曲线及特性参数

2、正弦输入响应法测LPF，BPF，HPF 的输出响应填写表2.1，并画出三种状态滤波器的
幅频特性和相频特性曲线。
表2.1 正弦响应法测试三种状态滤波器特性实验数据表 60f= 4000

图2.4 三种状态滤波器幅相频特性曲线