壓控電壓源二階模擬濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

1、精品好資料學(xué)習(xí)推薦電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目：壓控電壓源二階模擬濾波器的設(shè)計(jì)與仿真學(xué) 院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院專 業(yè) 通信工程學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)老師 壓控電壓源二階模擬濾波器的設(shè)計(jì)與仿真(天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院)摘要：本文詳細(xì)介紹了壓控電壓源二階模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法，給出了低通，高通，帶通，帶阻的通用表達(dá)式。同時(shí)，利用了Multisim12軟件進(jìn)行了各類濾波器的仿真設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，為有源濾波器的設(shè)計(jì)提供了EDA手段和依據(jù)。關(guān)鍵詞：二階；模擬濾波器；Multisim12；仿真Design and Simulate of Analog Filter of Second-order

2、 Voltage-controlled Voltage Source(Computer and Communication College of Tianjin University of Technology)Abstract: This paper detail describes the design of Analog Filter of Second-order Voltage-controlled Voltage Sourceand gives the general expressions of low-pass, high-pass, band-pass and band-el

3、imation.Aswell, we use Multisim12 software to simulate all kinds of filter to get the results which are same as the consequences by calculation.Key words: second-order; analog filter; Multisim12; simulation目錄一 前言4二 課題的目的和意義.4三 濾波器簡(jiǎn)介.4四 二階壓控電壓源的原理及設(shè)計(jì)5（一） 綜述5（二） 低通濾波器.6（三） 高通濾波器.7（四） 帶通濾波器.8（五） 帶阻濾波器9

4、五 Multisim的仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果分析.10（一） 二階有源低通濾波器.10（二） 二階有源高通濾波器.13（三） 二階有源帶通濾波器.16（四） 二階有源帶阻濾波器.20收獲和體會(huì).23參考文獻(xiàn).24致謝.25一 前言課程設(shè)計(jì)模電題目-壓控電壓源二階模擬濾波器的設(shè)計(jì)與仿真。本題目要求對(duì)于已知的二階模擬濾波器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與仿真，分別實(shí)現(xiàn)三種類型帶通、低通、高通，要求畫出其頻響曲線和失真曲線。此次實(shí)驗(yàn)我們組在原有基礎(chǔ)上增加了帶阻的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并以帶通濾波器為例詳細(xì)給出仿真數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)。二 課題目的和意義濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過而同時(shí)抑制無用頻率信號(hào)的電子裝置。我們根據(jù)頻率范圍可將其

5、分為低通、高通、帶通與帶阻等四種濾波器。具有理想特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能逼近理想特性。常用的逼近方法有巴特沃斯響應(yīng)和切比雪夫響應(yīng)等，前者通帶內(nèi)頻率響應(yīng)平坦，后者通帶內(nèi)有紋波現(xiàn)象。有關(guān)二階壓控電壓源低通濾波器的設(shè)計(jì)在許多文章中都有介紹，主要方法有查表法、圖示法等。但此類方法存在一些不足，查表法、圖示法只能取到一部分值不能滿足普遍情況的需要；還有些設(shè)計(jì)是將R1和R2取一樣的阻值，計(jì)算匹配電容，而這樣特定的電容比較難找到，要特制這樣的電容花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)、代價(jià)較高，精度也難以保證。并且查表法、圖示法沒有給出通用表達(dá)式，設(shè)計(jì)者不明白其取值的根據(jù)，更不適合學(xué)習(xí)。本文以二階壓控電壓源濾波器設(shè)計(jì)為例，進(jìn)

6、行詳細(xì)討論，并通過Multisim對(duì)理論分析所得結(jié)果進(jìn)行仿真，得到有力的論證。三 濾波器簡(jiǎn)介濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路，一種無源雙向網(wǎng)絡(luò)，它的一端是電源，另一端是負(fù)載。電源濾波器的原理就是一種阻抗適配網(wǎng)絡(luò)：電源濾波器輸入、輸出側(cè)與電源和負(fù)載側(cè)的阻抗適配越大，對(duì)電磁干擾的衰減就越有效。濾波器有多種分類方式：按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。按所通過信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲；高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量；帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于

7、或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲；帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。無源濾波器：僅由無源元件組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。有源濾波器：由無源元件和有源器件組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法

8、很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。本次實(shí)驗(yàn)采用的是有源模擬濾波器，優(yōu)點(diǎn)在于其易于實(shí)現(xiàn)，適合于本科層面學(xué)生學(xué)習(xí)。四 二階壓控電壓源的原理及設(shè)計(jì)（一） 綜述根據(jù)基爾霍夫定律，則由圖一可得關(guān)系式：(vi-v1)Y1=(v1-vo)Y2+(v1-v2)Y3v1-v2Y3= v2Y4AF=1+RFRrv2= v0AF圖1.二階壓控電壓源濾波器原型（二） 低通濾波器二階壓控電壓源低通濾波器如圖2所示。二階低通濾波器通帶增益Aup：Aup=1+RFRr截止頻率是二階

9、低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率fo：fo= 12RC品質(zhì)因數(shù)Q的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性形狀：Q= 13-Aup當(dāng)2Aup1，在f=fo處的電壓增益將大于Aup，幅頻特性在f=fo處將抬高。當(dāng)Aup=3時(shí)，Q=，有源濾波器自激。圖2.二階低通濾波器（三） 高通濾波器二階壓控電壓源高通濾波器如圖3所示圖3.二階高通濾波器與低通濾波器相反，高通濾波器用來通過高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。因?yàn)楦咄V波器與低通濾波器具有對(duì)偶性，所以只要將圖2中的電阻和電容互換，即可變?yōu)槎A高通濾波器。通帶放大倍數(shù)Aup=1+ RfRr截止頻率fp= 12RC品質(zhì)因數(shù)Q=abs(13-Aup)（四） 帶通

10、濾波器帶通濾波器只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制，注意：要將高通的下限截止頻率設(shè)置為小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。典型的低通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級(jí)改為高通實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。圖4.帶通濾波器比例系數(shù)Auf=1+ RfRr令中心頻率f0= 12RC則通帶放大倍數(shù)Aup:Aup= Aufabs(3-Auf)通帶截止頻率：fp1= f023-Auf2+4-(3-Auf)fp2= f023-Auf2+4+3-Auf因此，通頻帶fbw=fp2-fp1=abs3-Auff0= f0Q（五）帶阻濾波器將輸入電壓同時(shí)作用

11、于低通濾波器和高通濾波器，再將兩個(gè)電路的輸出電壓求和，就可以得到帶阻濾波器，如圖5所示。圖5.二階帶阻濾波器其中低通濾波器的截止頻率fp1應(yīng)小于高通濾波器的截止頻率fp2，因此，電路的阻帶為（fp2 -fp1）。實(shí)用電路常用無源LPF和HPF并聯(lián)構(gòu)成無源帶阻濾波電路，然后接同向比例運(yùn)算電路。通帶放大倍數(shù)Aup=1+RfRr令中心頻率f0=12RC通帶截止頻率fp1=2-Aup2+1-(2-Aup)fofp2=2-Aup2+1+(2-Aup)fo阻帶帶寬BW=fp2-fp1=2*abs2-Aupfo=foQ其中品質(zhì)因數(shù)Q=12*abs(2-Aup)五 Multisim的仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果分析（一）

12、二階壓控電壓源低通濾波器實(shí)際設(shè)計(jì)的壓控電壓源低通濾波器如圖6所示圖6.二階低通濾波器電路圖啟動(dòng)仿真按鈕，用虛擬示波器測(cè)得的輸入輸出波形如圖7所示。圖7.用虛擬示波器得到的輸入輸出波形從圖7中可以看出,當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較大(例如200kHz)時(shí),輸出信號(hào)的幅值明顯小于輸入信號(hào)的幅值,而低頻情況下的電壓放大倍數(shù)Aup=2。顯然,當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較大時(shí),電路的放大作用已不理想。在仿真條件下，點(diǎn)擊XBP，可以得到該低通濾波器的頻譜圖，如圖8所示。圖8.用虛擬頻譜儀得到的幅頻特性曲線可以測(cè)得其3dB截止頻率為10KHz左右，和計(jì)算結(jié)果相符合。關(guān)閉仿真按鍵，在主菜單欄中，選擇Simulate/Analys

13、is/AC analysis-命令，在出現(xiàn)的對(duì)話框中進(jìn)行如下設(shè)置：Frequency parameters設(shè)置Start frequency為1Hz，設(shè)置Stop frequency為10GHz（默認(rèn)值），Sweep type（掃描方式）為Decade（10倍程掃描），Number of points per decade 設(shè)為10，vertical scale（垂直掃描）選擇Decibel(dB)。在Output選項(xiàng)卡中選擇add v(5)。單擊Simulate按鈕即可進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖9所示。圖9.二階低通濾波器幅度相位譜（二） 二階壓控電壓源高通濾波器實(shí)際設(shè)計(jì)的壓控電壓源低通濾波

14、器如圖10所示圖10.二階高通濾波器電路圖依照二階有源低通濾波器的設(shè)置，可以依次得到其輸入輸出波形（如圖11），圖11.用虛擬示波器得到的輸入輸出波形幅頻特性曲線（如圖12），AC Analysis掃描曲線（如圖13）。圖12.用虛擬頻譜儀得到的幅頻特性曲線圖13高通濾波器幅度相位頻譜圖將設(shè)定的數(shù)值帶入公式可得仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致。驗(yàn)證了其正確性。（三） 二階壓控電壓源帶通濾波器帶通濾波器在Multisim中的電路連接圖如圖14所示。圖14.二階帶通濾波器電路圖如圖所示，為便于計(jì)算，取R1=R5=10K，R2=2R1=20K，R3（Rf）=10K，R4（Rr）=10K，C1=C2=10nF。

15、帶入公式：比例系數(shù)Auf=1+ RfRr=2通帶放大倍數(shù)Aup= Aufabs(3-Auf)=2電壓放大倍數(shù)在中心頻率處等于通帶放大倍數(shù)Au=Aup=2中心頻率f0= 12RC=1.592KHz則下限截止頻率fp1和上限截止頻率fp2分別為fp1= f023-Auf2+4-3-Auf=0.98KHzfp2= f023-Auf2+4+3-Auf=2.56KHz點(diǎn)擊仿真按鈕后點(diǎn)擊XSC，可以得到波形圖如圖15所示。圖15.高通濾波器波形圖可以觀察到，中心頻率處電壓放大倍數(shù)約為2。而后點(diǎn)擊XBP，可以得到頻譜圖如圖16所示。圖16.中心頻率可以讀出其中心頻率為1.557KHz，由于仿真中存在取值誤差

16、，故可以認(rèn)為其中心頻率滿足計(jì)算結(jié)果。其上下限截止頻率分別見圖17和圖18。圖17.下限截止頻率圖18.上限截止頻率由中心頻率時(shí)的增益6.01dB-3dB可以分別得到兩個(gè)邊頻的增益，在頻譜圖上讀出此時(shí)的頻率，分別為0.997KHz和2.57KHz。同樣考慮誤差，則可認(rèn)為其滿足計(jì)算結(jié)果要求。因此可以得出結(jié)論仿真數(shù)據(jù)和理論計(jì)算相一致。為了更好的觀察其帶通濾波器的頻譜圖形，利用AC Analysis功能進(jìn)行頻域更寬的仿真，如圖19所示?？梢钥吹剑浞l特性曲線為一帶通曲線。圖19.帶通濾波器幅度相位頻譜圖（四） 二階壓控電壓源帶阻濾波器帶阻濾波器在Multisim中的電路連接圖如圖20所示。圖20.帶

17、阻濾波器電路圖依照二階有源低通濾波器的設(shè)置，可以依次得到其輸入輸出波形（圖21），圖21.用虛擬示波器得到的輸入輸出波形幅頻特性曲線（如圖22），AC Analysis掃描曲線（如圖23）。圖22.用虛擬頻譜儀得到的幅頻特性曲線圖23.帶阻濾波器幅度相位頻譜圖將設(shè)定的數(shù)值帶入公式可得仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致。驗(yàn)證了其正確性。收獲和體會(huì)1. 濾波電路有很多種，本文僅以壓控電壓源二階模擬有源濾波器為例進(jìn)行了仿真，其他濾波器的仿真與此類同。2. 本文的重點(diǎn)是仿真分析過程，隨著電路難度的增加，需要我們具備必要的相關(guān)電路理論知識(shí)，這樣才能理解電路仿真的意義。3. 運(yùn)算放大器種類繁多，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，適合組成多種電路，相對(duì)于分立元器件，調(diào)試也較為簡(jiǎn)單。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要查閱更多的資料，多了解各種運(yùn)算放大器電路的組成，再結(jié)合本文介紹的仿真分析方法，才能起到舉一反三的作用。參考文獻(xiàn)1. 童詩白. 模擬