基于Multisim的有源濾波電路的設(shè)計(jì)

1、 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 作者 系部 專(zhuān)業(yè) 題目 指導(dǎo)教師 評(píng)閱教師 完成時(shí)間： 學(xué)號(hào) 電子信息學(xué)院 無(wú)線電技術(shù) 基于 Multisim 的有源濾波電路的設(shè)計(jì) 2010 年 4 月 12 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中文摘要 設(shè)計(jì) 1 基于 Multisim 的有源濾波電路的設(shè)計(jì) 摘要：濾波器是一種能夠?yàn)V除不需要頻率的分量、保留有用頻率分量的電路。工程 ： 上常用于信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等方面。利用運(yùn)算放大器和無(wú)源器件（R、 L、C）構(gòu)成有源濾波器具有一定的電壓放大和輸出緩沖作用。按濾除頻率分量的范 圍

2、來(lái)分，有源濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。 本文介紹了有源濾波器的具體功能及特點(diǎn)，并利用 Multisim7 軟件完成有源濾波電 路的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：有源濾波器 Multisim7 幅頻響應(yīng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文摘要 2 Active filter circuit based on Multisim Abstract: Filter is to filter out frequency components do not need and to : retain a useful frequency components of the circui

3、t. Projects commonly used in signal processing, data transmission and suppressing interference and so on. The active filter constituted by using operational amplifiers and passive components (R, L, C) has certain effect of voltage amplification and output buffer. Frequency components by filtering th

4、e range to points, active filter can be divided into low-pass filter, high pass filter, band pass and band stop filter. This article describes the specific functions and characteristics of active filter, and uses Multisim7 software to complete the design of active filter circuit. keywords: : Active

5、Filter Multisim7 frequency response 目錄 1 引言 3 2 電路模擬過(guò)程 3 有源濾波電路的設(shè)計(jì) 3.1 低通濾波器 3.2 高通濾波器 3.3 窄帶帶通濾波器 3.4 帶阻濾波器 3.5 利用 Multisim 7 中的 Filter Wizard 設(shè)計(jì)濾波器 4 Multisim 7 軟件 4.1 Multisim 7 軟件概述 結(jié)論 致謝 參考文獻(xiàn) 1 引言 4 有源濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能 夠?qū)Υ笮」╇娫?，其?yīng)用可 顧名思義該裝置需要提 和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。克服 LC 濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制

6、和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)（傳 統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償） ，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功。 有源濾波器的通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)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(由于不使用電感元件） ；但是通帶 范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性 不如無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。 2 電路模擬過(guò)程 新建設(shè)計(jì)工程 電路圖的生成 交流分析 否 優(yōu)化設(shè)計(jì) 滿足設(shè)計(jì)結(jié)果 完成 圖 3-1 電路模擬過(guò)程 （1）新建設(shè)計(jì)工程 打開(kāi) Multisi

7、m 7 軟件，新建一個(gè)空白頁(yè)。 （2）電路圖的生成 工程名確定后，就應(yīng)該在電路圖繪制軟件環(huán)境下，以人機(jī)交互方式將用戶確 定的電路設(shè)計(jì)方案以電路原理圖形式送入計(jì)算機(jī)。 （3）交流分析 5 生成電路圖后， 需根據(jù)電路設(shè)計(jì)任務(wù)確定要分析的電路特性類(lèi)型并設(shè)置與分 析有關(guān)的參數(shù)。啟動(dòng)仿真后，根據(jù)幅頻響應(yīng)適當(dāng)微調(diào)參數(shù)，移動(dòng)幅頻特性指針讀 取該濾波器的頻率。 （4）優(yōu)化設(shè)計(jì) 在電路模擬過(guò)程中，如果電路設(shè)計(jì)方案不合適、電路圖生成中出現(xiàn)差錯(cuò)或分 析參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，都會(huì)導(dǎo)致 Multisim 7 因檢測(cè)出錯(cuò)而不能正常運(yùn)行或出現(xiàn)運(yùn)行 結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求的情況。這時(shí)應(yīng)分析問(wèn)題所在，確定應(yīng)修改電路設(shè)計(jì)還是要 糾正電路圖生

8、成中的錯(cuò)誤或重新設(shè)置分析參數(shù)。然后再?gòu)纳鲜龅?2 階段或第 3 階段開(kāi)始，進(jìn)行新一輪的設(shè)計(jì)模塊過(guò)程。有時(shí)需要經(jīng)過(guò)幾個(gè)循環(huán)的設(shè)計(jì)模擬才能 得到滿足要求的電路設(shè)計(jì)。為了盡快糾正電路模擬中的錯(cuò)誤，用戶查閱相關(guān)文件 中的信息內(nèi)容，也可以在幅頻響應(yīng)分析窗口中分析錯(cuò)誤信息。 （5）完成 經(jīng)過(guò)上述幾個(gè)階段， 得到符合要求的電路設(shè)計(jì)后， 就可以輸出全套電路圖紙， 包括各種設(shè)計(jì)報(bào)表（如元器件清單、電路圖紙層次結(jié)構(gòu)表等），完成電路設(shè)計(jì)。 3 有源濾波電路的分析 濾波器特性可以用其頻率響應(yīng)來(lái)描述，按其特性的不同，可以分為低通濾波 器，高通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器等。 用來(lái)說(shuō)明濾波器性能的技術(shù)指標(biāo)主要有：中心頻

9、率 f0，即工作頻帶的中心； 帶寬 BW；通帶衰減，即通帶內(nèi)的最大衰減；阻帶衰減。 對(duì)于實(shí)際濾波器而言， 考慮到實(shí)際的組成元件的品質(zhì)因數(shù)的取值是一有限值 （因?yàn)槭芟抻诓牧吓c工藝的水平） ，所以所有工程上的實(shí)用濾波器都是有損濾波 器，因此對(duì)于這些濾波器還應(yīng)考慮通帶內(nèi)的最小插入衰減。 3.1 低通濾波器 現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)，多是采用濾波器變換的方法加以實(shí)現(xiàn)。主要是通過(guò)對(duì)低通 原型濾波器進(jìn)行頻率變換與阻抗變換，來(lái)得到新的目標(biāo)濾波器。理想的低通濾波 器應(yīng)該能使所有低于截止頻率的信號(hào)無(wú)損通過(guò)， 而所有高于截止頻率的信號(hào)都應(yīng) 該被無(wú)限的衰減，從而在幅頻特性曲線上呈現(xiàn)矩形，故而也稱(chēng)為矩形濾波器。遺 憾的是，如此

10、理想的特性是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，所有的設(shè)計(jì)只不過(guò)是力圖逼近矩形濾波 器的特性而已。根據(jù)所選的逼近函數(shù)的不同，可以得到不同的響應(yīng)。 6 3.1.1 一階有源低通濾波器 一階低通濾波電路由簡(jiǎn)單 RC 網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放構(gòu)成，該電路具所示為一階有源低通濾波器，電路 3-1 大作用，帶負(fù)載能力較強(qiáng)。如圖 有濾波功能還有放的截止頻 率： fn = 1 1 = = 15.92kHZ 3 2R1C1 2 × 10 × 10 ? × 1000 × 10 ?12 F 圖 3-1 一階有源低通濾波器 在交流分析對(duì)話框中，合理設(shè)置參數(shù)，啟動(dòng)仿真后，一階有源低通濾波電路 的幅頻響應(yīng)如圖 3-2

11、 所示。由幅頻特性指針讀取該低通濾波器的截止頻率，與理 論計(jì)算基本相符。 圖 3-2 一階有源低通濾波器的幅頻響應(yīng) 3.1.2 二階有源低通濾波器 一階有源低通濾波電路簡(jiǎn)單，幅頻特性衰減斜率只有-20dB十倍頻程，因 此，在 fo 處附近選擇性差，希望衰減斜率越陡越好，只有增加濾波器的階數(shù)來(lái) 實(shí)現(xiàn)。階數(shù)越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器。如圖 3-3 所示為二階有源低 7 通濾波器，電路的截止頻率： 1 1 = = 498 Hz 3 2RC 2 × 6.8 × 10 ? × 47 × 10 ?9 F C = C1 = C 2 R = R1 = R2 fn

12、 = 圖 3-3 二階有源低通濾波器 在交流分析對(duì)話框中，合理設(shè)置參數(shù)，啟動(dòng)仿真后，二階有源低通濾波電路 的幅頻響應(yīng)如圖 3-4 所示。由幅頻特性指針讀取該低通濾波器的截止頻率，與理 論計(jì)算基本相符。 圖 3-4 二階有源低通濾波器的幅頻響應(yīng) 3.2 高通濾波器 3.2.1 一階有源高通濾波器 將低通濾波器中元件 R、C 的位置互換后，電路變?yōu)楦咄V波器。一階高通 濾波器的缺點(diǎn)是：阻帶特性衰減太慢，為dB10oct，所以這種電路只適用于 對(duì)濾波特性要求不高的場(chǎng)合。圖 3-5 為一階有源高通濾波器，電路的截止頻率： 8 fn = 1 1 = = 7.96kHz 3 2RC 2 × 20

13、 × 10 ? × 1 × 10 ?9 F 圖 3-5 一階有源高通濾波器 在交流分析對(duì)話框中，合理設(shè)置參數(shù)，啟動(dòng)仿真后，一階有源高通濾波電路 的幅頻響應(yīng)如圖 3-6 所示。由幅頻特性指針讀取該濾波器的截止頻率，與理論計(jì) 算基本相符。 圖 3-6 一階有源高通濾波器的幅頻響應(yīng) 3.2.2 二階有源高通濾波器 二階有源高通濾波器的阻帶衰減特性的斜率為 40dB10oct，克服了一階高 通濾波器阻帶衰減太慢的缺點(diǎn)。與二階低通濾波器類(lèi)似，二階高通濾波器的各個(gè) 參數(shù)也影響其濾波特性，如：阻尼系數(shù) f 的大小決定了幅頻特性有無(wú)峰值，或諧 振峰的高低。如圖 3-7 所示為二階

14、有源高通濾波器，電路的截止頻率： fn = 1 = 1kHz (C = C1 = C 2 ，R = R1 = R2 ) 2RC 9 圖 3-7 二階有源高通濾波器 在交流分析對(duì)話框中，合理設(shè)置參數(shù)，啟動(dòng)仿真后，二階有源高通濾波電路 的幅頻響應(yīng)如圖 3-8 所示。由幅頻特性指針讀取該濾波器的截止頻率，與理論計(jì) 算基本相符。 圖 3-8 二階有源高通濾波器的幅頻響應(yīng) 3.3 窄帶帶通濾波器 窄帶帶通濾波器的上限截止頻率與下限截止頻率的比近似為 2 或者更小， 因 此不能被分為單獨(dú)的低通和高通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)上限截止頻率與下限截止頻率 的比減小時(shí)，中心頻率處的衰減將增加；當(dāng)上限截止頻率與下限截止頻

15、率的比接 近于 1 時(shí)，濾波器有更大 1 1 1 1 = = 1.067 中心頻率： 為窄帶帶通濾波器電路，該電路的 3-9 的抑制作用。圖kHz ?6 3 2c R f Rr 2 × 0.015 × 10 42.42 × 10 × 3.03 × 10 3 w 2 2 -3dB 帶寬為： BW = 0 = = = 3.143kHz Q R f C 42.42 × 0.015 × 10 ?3 f0 10 圖 3-9 窄帶帶通濾波器（R=2R） 在交流分析對(duì)話框中，合理設(shè)置參數(shù)，啟動(dòng)仿真后，窄帶帶通濾波電路的幅 頻響應(yīng)如圖 3-

16、10 所示。由幅頻特性指針讀取該濾波器的中心頻率，與理論計(jì)算 基本相符。 圖 3-10 窄帶帶通濾波器的幅頻響應(yīng) 3.4 帶阻濾波器 將輸入電壓同時(shí)作用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。其中低通濾波器的截止頻率 應(yīng)小于 高通濾波器的截止頻率。帶阻濾波器是指能通過(guò)大多數(shù)頻率分量、但將某 些范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶通濾波器的概念相對(duì)。 其中點(diǎn)阻濾波器是一種特殊的帶阻濾波器，它的阻帶范圍極小，有著很高 的 Q 值。帶阻濾波器電路如圖 3-11 所示。 11 圖 4-11 帶阻濾波器 利用波特圖儀顯示該電路的幅頻響應(yīng)如圖 3-12，從中可以

17、讀出該電路的中 心頻率約為 40Hz。 圖 3-12 帶阻濾波器的幅頻響應(yīng) 3.5 利用 Multisim 7 中的 Filter Wizard 設(shè)計(jì)濾波器 Multisim 7 仿真軟件提供 Filter Wizard 使得濾波器的設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)單、 快捷。在這一環(huán)節(jié)中，我的設(shè)計(jì)步驟：第一，調(diào)用 Filter Wizard；第二，濾波 器參數(shù)的設(shè)置；第三，濾波器的生成；第四，交流分析。 由無(wú)源元件(一般用 R 和 C)和有源器件(如集成運(yùn)算放大器）組成。這類(lèi)濾 波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)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)單方法很容易構(gòu)成高

18、階濾波器， 并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件） ；缺點(diǎn)是： 通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可 靠性不如無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。 12 3.5.1 切比雪夫無(wú)源低通濾波器 設(shè)計(jì)一個(gè)通帶截止頻率為 3.4kHz，阻帶起始頻率為 4kHz，通帶最大衰減為 -1dB，阻帶最小衰減為-25dB 的切比雪夫無(wú)源低通濾波器。 在 Filter Wizard 對(duì)話框中， 設(shè)置濾波器的參數(shù)如圖 3-13 所示。 單擊 Verify 按鈕，對(duì)話框顯示“calculation was successfully complete

19、d”字樣。 圖 3-13 切比雪夫無(wú)源低通濾波器的設(shè)置 單擊 Build Circuit 按鈕所生成的電路如圖 3-14 所示。 圖 3-14 切比雪夫無(wú)源低通濾波器 13 對(duì) Filter Wizard 產(chǎn)生的切比雪夫無(wú)源低通濾波器電路進(jìn)行交流分析，電路 的幅頻響應(yīng)如圖 3-15 所示。可見(jiàn)，應(yīng)用 Filter Wizard 設(shè)計(jì)的電路是一個(gè)低通 濾波器。 圖 3-15 切比雪夫無(wú)源低通濾波器的幅頻響應(yīng) 在一些應(yīng)用當(dāng)中，最為重要的因素是濾波器截?cái)嗖槐匾盘?hào)的速度。如果你 可以接受通帶具有一些紋波，就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。 3.5.2 巴特沃斯有源高通濾波器 設(shè)計(jì)一個(gè)阻帶截止頻

20、率為 1kHz，通帶起始頻率為 1.5kHz，通帶最大衰減為 -1dB，阻帶最小衰減為-25dB 的巴特沃斯有源高通濾波器。 在 Filter Wizard 對(duì)話框中， 所示。 3-16 設(shè)置濾波器的參數(shù)如圖 圖 3-16 巴特沃斯有源高通濾波器的設(shè)置 14 單擊 Build Circuit 按鈕所生成的電路如圖 3-17 所示。 圖 3-17 巴特沃斯有源高通濾波器 對(duì)電路進(jìn)行交流分析，幅頻響應(yīng)如圖 3-18 所示。從圖中可知，通帶的起始 頻率為 1.5647kHz?？梢?jiàn)，F(xiàn)ilter Wizard 設(shè)計(jì)的巴特沃斯有源高通濾波器基本 符合要求。 圖 3-18 巴特沃斯有源高通濾波器的幅頻響應(yīng)

21、 3.5.3 巴特沃斯無(wú)源帶阻濾波器 設(shè)計(jì)一個(gè)低端通帶截止頻率為 1kHz， 低端阻帶起始頻率為 1.5kHz。高端阻帶 15 截止頻率為 2kHz，高端通帶起始頻率為 3kHz，通帶最大衰減為-1dB，阻帶最小 衰減為-25dB 的巴特沃斯無(wú)源帶阻濾波器。 在 Filter Wizard 對(duì)話框中，設(shè)置濾波器的參數(shù)如圖 3-19 所示。 圖 3-20 巴特沃斯無(wú)源帶阻濾波器的設(shè)置 Multisim 7 生成的濾波器電路如圖 3-20 所示。 圖 3-20 巴特沃斯無(wú)源帶阻濾波器 對(duì)圖 3-20 所示電路進(jìn)行交流分析，電路的頻率響應(yīng)如圖 3-21 所示。從圖 16 3-21 中可知，低端通帶截

22、止頻率為 1.08kHz，低端阻帶起始頻率為 1.2kHz；高 端阻帶截止頻率為 2.3kHz,高端通帶起始頻率為 3.06kHz?？梢?jiàn)，F(xiàn)ilter Wizard 設(shè)計(jì)的無(wú)源帶阻濾波器基本符合要求。 圖 3-21 巴特沃斯無(wú)源帶阻濾波器的幅頻響應(yīng) 巴特沃斯響應(yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應(yīng)非常平坦，非常接近 DC 信號(hào)， 然后慢慢衰減至截止頻率點(diǎn)為-3dB， 最終逼近-20ndB/decade 的衰減率， 其中 n 為濾波器的階數(shù)。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應(yīng)用，其對(duì)于維護(hù)增益 的平坦性來(lái)說(shuō)非常重要。 4 Multisim 7 軟件 4.1 Multisim 7 軟件概述 Multi

23、sim 是 Interactive Image Technologies (Electronics Workbench) 公司推出的以 Windows 為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè) 計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐 富的仿真分析能力。 Multisim 7 為模擬、數(shù)字以及模擬/數(shù)字混合電路提供了快速并且精確的仿 真；除了提供虛擬儀表，為了更好地掌握電路的性能，還提供了直流工作分析、 交流分析、敏感度分析等 19 種分析。利用 Multisim 7 仿真軟件中的交流分析， 可以方便地求得濾波器的頻率響應(yīng)曲線，根據(jù)頻率響應(yīng)曲線，調(diào)整和確

24、定濾波器 電路的元件參數(shù)，很容易獲得所需的濾波特性，同時(shí)省去繁瑣的計(jì)算，充分體現(xiàn) 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)越性。 軟件以圖形界面為主，采用菜單、工具欄和熱鍵相結(jié)合的方式，具有一般 Windows 應(yīng)用軟件的界面風(fēng)格，用戶可以根據(jù)自己的習(xí)慣和熟悉程度自如使用。 17 Multisim 為用戶提供了豐富的元器件，并以開(kāi)放的形式管理元器件，使得用戶 能夠自己添加所需要的元器件。Multisim 以庫(kù)的形式管理元器件，通過(guò)菜單 Tools/ Database Management 打開(kāi) Database Management（數(shù)據(jù)庫(kù)管理）窗口， 對(duì)元器件庫(kù)進(jìn)行管理。據(jù)此用戶可以通過(guò)選擇 User 數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而對(duì)自建元器件 進(jìn)行編輯管理。 在 Multisim Master 一種是與實(shí)際元器件的型號(hào)、參 它們之間根本差別在于： 中有實(shí)際元器件和虛擬元器件，數(shù)值以及封裝都相對(duì)應(yīng)的元器件，在設(shè)計(jì)中選用 此類(lèi)器件，不僅可以使設(shè)計(jì)仿真與實(shí)際情況有良好的對(duì)應(yīng)性，還可以直接將設(shè)計(jì) 導(dǎo)出到 Ultiboard 中進(jìn)行 PCB 的設(shè)計(jì)。 另一種器件的參數(shù)值是該類(lèi)器件的典型值， 不與實(shí)際器件對(duì)應(yīng)，用戶可以根據(jù)需要改變器件模型的參數(shù)值，只能用于仿真， 這類(lèi)器件稱(chēng)