狀態濾波器動態特性實驗
一、 實驗目的
1、 了解三種狀態濾波器設計的基本原理方法及濾波范圍。
2、 了解典型信號通過各種狀態濾波器后的響應情況。
3、 了解各種狀態濾波器特性參數變化時，典型信號輸出的變化情況。
4、 以濾波器為例掌握二階系統動態特性測試的二種基本方法。
1） 階躍響應法測量低通濾波器的時域特性指標。
2） 正弦響應法測量低通濾波器 帶通濾波器 高通濾波器 的特性曲線。
5、熟悉信號發生器、模擬和數字示波器、 濾波器動態特性實驗儀 、電機動平衡實
驗儀的使用方法。
二、實驗原理
1、實驗所用儀器簡介及連線圖
本實驗所用儀器有濾波器特性實驗儀、信號發生器、示波器和動平衡測試儀，連線方式
如圖2.1 所示。

圖2.1 實驗系統連接圖

信號發生器可以產生方波信號和正弦信號，其頻率和幅度可以任意調節；
示波器用于顯示信號的波形；動平衡儀用于測量正弦信號的幅值和相位；（ G V 為方波基準信
號，相位為IN V 相對G V 的相位）
2、濾波器特性實驗儀如圖2.2 所示。

跟蹤濾波器前的衰減器可以由衰減開關1 來選擇，0 位對應×1，1 位對應×1/2。2 位
對應×1/4，3 位對應×1/8。
Vout 為輸出插口，對于信號點可以由測點切換開關2 來選擇。0 位對應VIN，1 位對應VLP，
2 位對應VBP，3 位對應VHP。
VG 為VLn 經過零觸發產生的基準信號。

由于狀態濾波器為一典型二階系統，且不同的濾波器有不同的濾波范圍。因而當輸入信
號的類型、頻率改變時，其輸出響應就會變化。因而三種狀態濾波器具有各自不同的測量范
圍。同時通頻帶也會隨著三種狀態濾波器的特性參數的變化而變化。
三、實驗方法、內容及步驟
1、利用示波器定性觀察典型信號通過各種狀態濾波器后的響應情況。
1）按圖2.1 連線，狀態濾波器中心頻率調至60 = 4000 n f 轉/分
2）信號發生器分別發出方波信號和正弦信號，并不斷改變輸入信號的頻率（從
f = 5Hz ? ?120Hz每隔15Hz 改變一次）。
3）通過示波器定性觀察典型信號通過各種狀態濾波器后的響應變化情況，并得出結論。
2、利用示波器定性觀察典型二階系統的固有頻率、阻尼率改變時，典型信號通過各種狀
態濾波器后的響應變化情況。
按圖2.1 連線，狀態濾波器中心頻率調至60 = 2500 3500 4000 n f 轉/分時，阻尼率
分別調至ξ = 0.3 0.7 1.0 時分別觀察狀態濾波器的響應變化情況，并得出結論。

4、正弦響應法測試lp V ， bp V ， hp V 的頻響曲線。
信號源選擇正弦信號輸出給跟蹤濾波器，這時輸出lp V ， bp V 和hp V 也是正弦信號，但幅
值和初相角發生了變化。用平衡儀分別測試輸入正弦信號與三種濾波器輸出信號的幅值和相
角，由此可以計算濾波器在此頻率下的幅頻特性和相頻特性。如( ) sin(2 ) 0 x x t = x πft +φ ，
( ) sin(2 ) 0 y y t = y πft +φ ，測得0 x ， x
φ
0 y ， y
φ 則
0 0 A( f ) = y x y x φ ( f ) =φ ?φ （8）
改變頻率即可測得各頻率下的幅頻和相頻特性，從而畫出幅頻特性曲線和相頻特性曲
線，儀器連線如圖2.1 所示。
實驗步驟：
（1） 動平衡儀輸入通道數N=99。
（2） 狀態濾波器阻尼率調至ξ = 0.7 、中心頻率調至4000 轉/分。
（3） 信號發生器輸出正弦信號，頻率從60fn=500 轉/分——6500 轉/分。
（4） 利用動平衡測試儀測出各個頻率正弦信號輸入下，三種狀態濾波器輸入、輸出
的幅值及相位，填寫表2.1 并畫圖。
注1：平衡儀測速顯示n 60 f 即轉/分。
注2：平衡儀相角取負。
注3：平衡儀為一測試系統，有自身的放大率和相移，但對(8)式成立不影響。
注4： y
φ 從360o 變為小量后應加360o 。
四、實驗要求
1、階躍輸入響應法測二階低通濾波器特性，如圖2.3 所示。

圖2.3 二階系統低通濾波器的階躍響應曲線及特性參數

2、正弦輸入響應法測LPF，BPF，HPF 的輸出響應填寫表2.1，并畫出三種狀態濾波器的
幅頻特性和相頻特性曲線。
表2.1 正弦響應法測試三種狀態濾波器特性實驗數據表 60f= 4000

圖2.4 三種狀態濾波器幅相頻特性曲線