有源模拟低通滤波器的设计与分析毕业设计.doc

有源模拟低通滤波器的设计与分析毕业设计目 录摘 要IAbstractII1.引言11.1.课题设计的意义11.2.国内外研究现状11.3.毕业设计所用的方法22.滤波器的基本知识32.1.滤波器的基本概念32.2.滤波器的分类42.3.滤波器的类型62.4.滤波器的特性62.5.滤波器的选取72.6.模拟滤波器72.7.数字滤波器73.电路设计83.1.有源低通滤波器的典型结构83.1.1.一阶有源低通滤波器的典型结构83.1.2.二阶有源低通滤波器的典型结构93.2.有源滤波器的特性分析103.2.1.一阶有源滤波器特性分析103.2.2.二阶有源滤波器特性分析113.3.低通有源滤波器的设计123.3.1.设计要求123.3.2.设计电路分析123.3.3.选择运放153.3.4.电路设计153.3.5.理论计算164.Multisim分析194.1.软件简介194.2.验证通频带放大倍数194.3.频率特性分析254.3.1.用波特图示仪测试频率特性254.3.2.用交流分析法测试频率特性274.3.3.用参数扫描分析法测试频率特性28结束语32参考文献33致 谢34附 录351. 引言1.1. 课题设计的意义滤波器作为一种基本的功能电路，而且是一种具有频率选择功能的电路，它能使有用的频率信号通过抑制或衰减，将不需要传送频率范围内的信号滤去。它是一种用来消除干扰信号的器件，将输入或输出经过过滤而得到所选择的频率；对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。它的主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等，目前在通信、声纳、测控、仪器仪表、航空航天，天线以及电力系统载波通信电路，电子测量系统等领域中都有着广泛的应用。而且在这些系统中，不管是数字电子系统还是模拟电子系统，模拟滤波器在预处理电路中几乎是必不可少的。1.2. 国内外研究现状凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器，在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各种新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。我国广泛使用滤波器是50年代后期的事了，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐。但由于缺少专门的研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。总之，由RC有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，Q值可达1000，克服了RLC无源滤波器体积大，Q值小的缺点。但它仍有许多课题有待进一步研究：理想运放与实际特性的偏差的研究；由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进，单片集成有待进一步研究；应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索；元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等问题仍未解决；由于R存在，集成占芯片面积大，电阻误差大（20%30%），线性度差等缺点，使大规模集成仍然有困难。尽管有这么多问题，RC有源滤波器的理论和应用仍在持续发展中。1.3. 毕业设计所用的方法 首先对滤波器的基本概念、分类、类型、设计、选取、应用等内容有所了解； 根据设计要求先分析一阶和二阶低通滤波电路典型结构的特性，再设计一个高阶低通滤波电路； 再根据所设计指标选取运放，以及电路原理图的总设计； 再对搭建好的电路原理图进行理论计算； 最后通过Multisim7软件进行频率特性分析，并验证理论计算的正确性。河南城建学院本科毕业设计（论文） 2.滤波器的基本知识2. 滤波器的基本知识2.1. 滤波器的基本概念滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些基本频率(通常是某个频带范围)的信号通过，而其它频率的信号受到衰减或抑制，这些网络可以是由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可以是由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。图2.1是滤波器的基本框图：滤 波 器图2.1滤波器的基本框图滤波器（如图2.1）的网络函数，又称为传递函数全面反映了滤波器的幅-频和相-频特性。可以通过仿真的方法来测量滤波器的上述幅-频特性。我们把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。而通带与阻带的分界点频率称为截止频率或称为转折频率。图2.2中的为通带的电压放大倍数，为中心频率，和分别为低端和高端截止频率。图2.2是四种滤波器的理想幅-频特性曲线: O(a)低通滤波器(LPF) (b)高通滤波器(HPF)(c)带通滤波器(BPF) (d)带阻滤波器(BEF)图2.2 各种滤波器的理想幅-频特性曲线2.2. 滤波器的分类 按所处理的信号分类按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。 按所通过信号的频段分类按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 按所采用的元器件分类按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。1) 无源滤波器无源滤波器仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。2) 有源滤波器有源滤波器由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。 根据滤波器的安放位置分类根据滤波器的安放位置不同，一般分为板上滤波器和面板滤波器。1) 板上滤波器板上滤波器安装在线路板上。这种滤波器的优点是经济，缺点是高频滤波效果欠佳。其主要原因是：a. 滤波器的输入与输出之间没有隔离，容易发生耦合；b. 滤波器的接地阻抗不是很低，削弱了高频旁路效果；c. 滤波器与机箱之间的一段连线会产生两种不良作用： 一个是机箱内部空间的电磁干扰会直接感应到这段线上，沿着电缆传出机箱，借助电缆辐射，使滤波器失效；另一个是外界干扰在板上滤波器滤波之前，借助这段线产生辐射，或直接与线路板上的电路发生耦合，造成敏感度问题；2) 面板滤波器滤波阵列板、滤波连接器等面板滤波器一般都直接安装在屏蔽机箱的金属面板上。由于直接安装在金属面板上，滤波器的输入与输出之间完全隔离，接地良好，电缆上的干扰在机箱端口上被滤除，因此滤波效果相当理想。缺点是必须在设计初期考虑安装所需的配合结构。2.3. 滤波器的类型 巴特沃斯滤波电路巴特沃斯滤波器拥有最平滑的频率响应，在截止频率以外，频率响应单调下降。在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为0。在截止频率处有3dB的衰减。巴特沃斯滤波器除了具有平滑单调递减的频率响应的优点之外，其过渡带的陡峭程度正比于滤波器的阶数。高阶巴特沃斯滤波器的频率响应近似于理想低通滤波器。 贝塞尔滤波电路除了会改变依赖于频率的输入信号的幅度外，滤波器还会为其引入了一个延迟。延迟使得基于频率的相移产生非正弦信号失真。就像巴特沃斯响应利用通带最大化了幅度的平坦度一样，贝塞尔响应最小化了通带的相位非线性。 切贝雪夫滤波电路如果在通带的边缘能够满足指标，那么在通带的内部会超过设计的指标要求，造成滤波器的阶次N比较高。因此，有效地设计方法是将指标的精确度均匀的分布在整个通带内，或者均匀分布在整个阻带内，或者同时分布在两者之内，这样就可用阶数较低的系统来满足要求。这可通过选择具有等波纹特性的逼近函数来达到。2.4. 滤波器的特性滤波器特性可以用其频率响应来描述，按其特性的不同，可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器等。用来说明滤波器性能的技术指标主要有： 通带电压放大倍数 特征频率 通频带截止频率对于实际滤波器而言，考虑到实际的组成元件的品质因数的取值是一有限值（因为受限于材料与工艺的水平），所以所有工程上的实用滤波器都是有损滤波器，因此对于这些滤波器还应考虑通带内的最小插入衰减。2.5. 滤波器的选取集总低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础，各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性推导出来的。正因如此，才使得滤波器的设计得以简化，精度得以提高。理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过，而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也称为矩形滤波器（brick-wall filter）。遗憾的是，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。根据所选的逼近函数的不同，可以得到不同的响应。虽然逼近函数函数多种多样，但是考虑到实际电路的使用需求，我们通常会选用巴特沃斯滤波电路或切比雪夫滤波电路。巴特沃斯带通滤波器具有平坦的响应特性，而切比雪夫带通滤波器却具有更陡的衰减特性。所以具体选用何种特性，需要根据电路或系统的具体要求而定。但是，切比雪夫滤波器对于元件的变化最不敏感，而且兼具良好的选择性与很好的驻波特性（位于通带的中部），所以在一般的应用中，推荐使用切比雪夫滤波电路。2.6. 模拟滤波器模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。例如：低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗混频滤波；带通滤波器用作频谱分析仪中的选频装置；高通滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声；带阻滤波器用作电涡流测振仪中的陷波器，等等。2.7. 数字滤波器与模拟滤波器相对应，在离散系统中广泛应用数字滤波器。它的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形或频率进行加工处理。或者说，把输入信号变成一定的输出信号，从而达到改变信号频谱的目的。数字滤波器一般可以用两种方法来实现：一种方法是用数字硬件装配成一台专门的设备，这种设备称为数字信号处理机；另一种方法就是直接利用通用计算机，将所需要的运算编成程序让通用计算机来完成，即利用计算机软件来实现。河南城建学院本科毕业设计（论文） 3.电路设计3. 电路设计3.1. 有源低通滤波器的典型结构3.1.1. 一阶有源低通滤波器的典型结构图3.1.1 一阶有源低通滤波器的典型电路一阶有源低通滤波电路由简单RC网络和运放构成，如图3.1.1所示。该电路具有滤波功能还有放大作用，带负载能力较强。考虑到，根据“虚短”和“虚断”的特点，利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系，可知：联立方程，可得： 幅频特性： 其中 相频特性： 幅频特性与相频特性图如图3.1.2所示：图3.1.2 一阶低通有源滤波器的幅频特性和相频特性此电路的特点为： =0时，； 时，； 运放输出，带负载能力强。3.1.2. 二阶有源低通滤波器的典型结构二阶有源滤波器的典型结构如图3.1.3所示。它是在图3.1.1一阶有源低通滤波器的基础上再增加一个RC环节得到的。图3.1.3 二阶有源低通滤波器的典型电路3.2. 有源滤波器的特性分析3.2.1. 一阶有源滤波器特性分析在分析有源滤波电路时，一般都通过“拉氏变换”，将电压与电流变换成“象函数”和用，因而电阻的，电容的,电感的，输出量与输入量之比称为传递函数，即图3.1.1所示的一阶低通滤波电路的传递函数：用取代s，且令得出电压放大倍数式中，称为特征频率。令，可得通带放大倍数当时，故通带截止频率。幅频特性如图3.2.1所示，当时，曲线按-20dB/十倍频下降。 图3.2.1 一阶低通滤波器的幅频特性3.2.2. 二阶有源滤波器特性分析一阶电路的过渡带较宽，幅频特性的最大衰减斜率仅为-20dB/十倍频。增加RC环节，可加大衰减斜率。图3.1.3所示为简单二阶低通滤波电路。其通带放大倍数与一阶电路相同，传递函数 式(3.2.1)当时，代入式（3.2.1），整理可得用取代，且令,得出电压放大倍数表达式为 式(3.2.2)令式(3.2.2)分母的模等于，可解出通带截止频率幅频特性如图3.2.2所示。虽然衰减斜率达-40dB/十倍频，但是远离。若使附近的电压放大倍数数值增大，则可使接近，滤波特性趋于理想。从模电知识可知，引入正反馈，可以增大放大倍数。图3.2.2简单二阶低通滤波电路的幅频特性3.3. 低通有源滤波器的设计3.3.1. 设计要求分别设计一阶、二阶、三阶有源低通滤波电路，要求截止频率，等效品质因数Q=1。选用器件给出硬件实现方案，并进行系统的仿真测试与理论的验证。3.3.2. 设计电路分析 设计一阶有源低通滤波器电路一阶有源低通滤波器电路的模型如图3.1.1所示，分析见3.1.1和3.2.1内容。 设计二阶有源低通滤波器电路二阶有源低通滤波器电路的模型如图3.3.1所示。在压控电压源型有源低通滤波器电路中，既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋向零时，由于的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于的电抗趋于零，因而 趋于零。可以想象，只要正反馈引入得当，就既可能在时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。因为同相输入端电位控制由集成运放和组成的电压源，故称之为压控电压源型滤波器。图3.3.1二阶有源低通滤波器模型设。M点的电流方程为 式（3.3.1）P点的电流方程为 式(3.3.2)式(3.3.1)、式(3.3.2)联立，解出传递函数 式（3.3.3）式(3.3.3)中，只有当 小于3时，即分母中的一次项系数大于零，电路才能稳定工作，而不产生自激振荡。若令，,则电压放大倍数 式（3.3.4）若令Q=，则时，有，即 式（3.3.5）可见，Q是时的电压放大倍数与通带电压放大倍数数值之比。当时，。图3.3.2所示为Q值不同时的幅频特性，当时，曲线按-40dB/十倍频下降。101.0十倍频程dB/40-f / f0040-1AAupulg20/dB102020-Q=1Q=5Q=2Q=0.5图3.3.2 Q值不同时的幅频特性 设计三阶有源低通滤波器电路三阶有源低通滤波器电路的电路原理图如图3.3.3所示。图3.3.3三阶有源低通滤波器模型根据二阶低通滤波器的有关计算，可得三阶低通滤波器的参数如下：通带增益：其中： 传递函数： 若令，,则电压放大倍数：3.3.3. 选择运放因为设计要求的截止频率较高，因此要求运放的频带较宽，选用通频带较宽的运放，本设计选用运放3554AM，是一个结型场效应的输入，混合运算放大器，具有优秀的组合和高效率，快速建立和大的增益带宽积。带宽为19MHz，适合用于波形发生电路、脉冲放大电路等。输出电流可达到100mA，精度高，满足设计要求。其中，AD3554AM具有低失调电压的全差分输入与匹配输入场效应晶体管。图3.3.4 3554AM示意图3.3.4. 电路设计 一阶和二阶低通滤波器电路的设计为了便于比较一阶和二阶低通滤波器电路的性能差异，在构建两个电路时，元件取值都保持一致。令，因为通带截止频率为令电容则选取 。等效品质因数可得 ，即所以 可选 三阶低通滤波器电路的设计由方案可知，为设计方便选取，为了Multisim电路仿真测试，令截止频率，,通带增益为,选取,计算得。由上述可知，选取。3.3.5. 理论计算根据实际选择的元件参数重新计算滤波电路的特征参量。 频率特性一阶低通滤波器频率特性为：二阶低通滤波器频率特性为：三阶低通滤波器频率特性为： 通频带放大倍数由于一阶和二阶两个电路的运放部分相同，在低频时都相当于同相比例放大电路，因此通频带放大倍数也都相同。三阶通频带放大倍数： 特征频率与通频带截止频率因为所选电阻和电容参数相同，所以三个电路的特征频率也相同：根据 的定义，当 时，放大倍数即在一阶低通滤波电路中，当时； 解得 ， 在二阶低通滤波器中，当 时，应有即。在三阶低通滤波器中，当 时，应有即。实际设计的一阶、二阶、三阶有源低通滤波器的仿真电路，如图3.3.5、图3.3.6和图3.3.7所示。图3.3.5 一阶有源低通滤波器的仿真电路图3.3.6 二阶有源低通滤波器的仿真电路图3.3.7 三阶有源低通滤波器的仿真电路河南城建学院本科毕业设计（论文） 4.Multisim分析4. Multisim分析4.1. 软件简介软件仿真Multisim7是加拿大交互图像技术有限公司（Interactive Techolog- ies公司）于2003年推出的新版本。它结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。Multisim与NI Lab View和Signal Express软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。它将以前推出的EWB5.0和Multisim2001版本功能大大地高，比如EWB5.0版本，在做电路仿真实验调用虚拟仪器时，一个品种每次只能调用一台，这是一个很大的缺陷。又如Multisim2001版本，它的与实际元件相对应的现实性仿真元件模型只有6种，而Multisim7版本增加到10种；Multisim2001版本的虚拟仪器只有11种，而Multisim7版本增加到17种；特别是像示波器这种最常用的电子仪器，Multisim 2001版本只能提供双踪示波器，而Multisim7版本却能提供4踪示波器，这给诸如做数字电路仿真实验等需要同时观察多路波形提供了极大的方便。又如Multisim 2001版本只能提供“亮”与“灭”两种状态黑白指示灯，而Multisim7版本却能提供蓝、绿、红、黄、白5种颜色的指示灯，使用起来更加方便和直观。总之，Multisim7版本电子仿真软件是比较先进、功能最强大的软件仿真，是仿真软件中的佼佼者。4.2. 验证通频带放大倍数Multisim环境下，创建如图3.3.5、图3.3.6、图3.3.7所示的一阶、二阶、三阶有源低通滤波器的仿真电路。为了验证通频带放大倍数，将电路中信号源V1的频率设置为5Hz，幅值都设置为10V。将示波器的A通道接输入端，B通道接输出端，运行后，一阶二阶三阶电路所得波形一致，如图4.2.1。图中幅值小的为A通道波形，幅值较大的为B通道波形。很显然，输入输出信号的频率一致，说明低通滤波器电路不会改变输入信号的频率。通过比较点的值可以看出：A通道最大值=10V，而此时B通道也为最大值=20V，通频带放大倍数得以验证。图4.2.1 输入输出波形比较图调节输入信号V1的频率，使之分别为2 kHz ，100 kHz ，126 kHz。由虚拟示波器分别得到组图4.2.2、图4.2.3、图4.2.4。当输入信号的频率为2kHz时，输入输出信号同频同相，且一阶有源低通滤波器的输入信号幅值约为9.984V，输出信号的幅值约为19.980V，放大倍数即，同理，可知二阶有源低通滤波器的放大倍数，三阶有源低通滤波器的放大倍数为4，都与理论计算相吻合。a. 一阶有源低通滤波器的输出输入波形b. 二阶有源低通滤波器的输出输入波形c. 一阶有源低通滤波器的输出输入波形图4.2.2 当输入信号的频率为2kHz时的输入输出波形当输入信号的频率为100kHz时，一阶有源低通滤波器的电压放大倍数；二阶的电压放大倍数。可以看出，输出信号与输入信号同频不同相，说明一阶、二阶、三阶低通滤波电路不会改变信号的频率。从图4.2.3中可以看出，当输入信号的频率较大时，一阶低通滤波电路电压放大倍数=1.410，验证了一阶低通滤波电路的通带截止频率。此时，二阶低通滤波电路电压放大倍数近似于2，三阶依然为4。a. 一阶有源低通滤波器的输出输入波形b. 二阶有源低通滤波器的输出输入波形c. 三阶有源低通滤波器的输出输入波形图4.2.3 当输入信号的频率为100kHz时的输入输出波形当输入信号的频率为126kHz时，一阶低通滤波电路的电压放大倍数，二阶低通滤波电路的电压放大倍数，验证了二阶低通滤波电路的3dB截止频率接近126kHz。针对一阶低通滤波电路来说，当输入信号的频率较大时，电路的放大作用已不理想。三阶低通滤波器的电压放大倍数为3.301。a. 一阶有源低通滤波器的输出输入波形b. 二阶有源低通滤波器的输出输入波形c. 三阶有源低通滤波器的输出输入波形图4.2.4 当输入信号的频率为126kHz时的输入输出波形我们发现，仅通过虚拟示波器分析，既很难得出的准确值，也不能直观看出输入信号的频率对电路放大性能的影响，于是用Multisim中的交流分析来精确观察电路的输入输出特性。4.3. 频率特性分析4.3.1. 用波特图示仪测试频率特性在Multisim软件的虚拟仪器栏中选择虚拟双踪示波器，将示波器的A,B端分别接到电路的输入端与输出端，再点击仿真按钮进行仿真，得到如下波形。图4.3.1，图4.3.2，图4.3.3分别是用Multisim7仿真得到的一阶、二阶、三阶有源低通模拟滤波器的幅-频特性曲线。在搭建的电路仿真图所示的电路中，可以用波特图示仪观察电路的幅-频特性。从仿真得到的幅频特性曲线中可以看到：一阶低通滤波器通带的对数坐标为6.017dB，对应的电压放大倍数，且输入输出同频同相。对数坐标减去3dB即是对应的3dB截止频率，移动读数指针可看出3dB截止频率约在100kHz附近，与理论计算很接近。二阶低通滤波器通带的对数坐标为6.02dB，对应的电压放大倍数，且输入输出同频同相。对数坐标减去3dB即是对应的3dB截止频率，移动读数指针可看出3dB截止频率约在126kHz附近，与理论计算很接近。三阶低通滤波器通带的对数坐标为12.041dB，对应的电压放大倍数，且输入输出同频同相。对数坐标减去3dB即是对应的3dB截止频率，移动读数指针可看出3dB截止频率约在143kHz附近，与理论计算很接近。图4.3.1一阶有源低通滤波器电路波特图图4.3.2二阶有源低通滤波器电路波特图图4.3.3三阶有源低通滤波器电路波特图4.3.2. 用交流分析法测试频率特性对两个滤波电路做相同的动作，停止Multisim仿真分析（Multisim仿真分析与交流分析不能同时进行），在主菜单栏中Simulate项中选择Analysis中的AC Analysis。参数设置如下：起始频率为1Hz，终止频率为100MHz，这样电脑会自动将输入信号的频率从1Hz调试到100MHz进行实验，并最终将幅值与频率的关系绘制成幅频曲线，扫描方式使用十进制，纵坐标以Decibel（分贝dB）为刻度，在Output Variables中选择输出节点，然后点击Simulate进行仿真分析，得到电路的幅频特性曲线如图4.3.4、图4.3.5、图4.3.6所示。图4.3.4一阶低通滤波电路幅频特性曲线图4.3.5二阶低通滤波电路幅频特性曲线图4.3.6三阶低通滤波电路幅频特性曲线至此，我们可以得出如下结论：1) 一阶有源低通模拟滤波器的滤波效果比不上二阶、三阶有源低通模拟滤波器；2) 二阶滤波器还具有体积小，功耗低，精度大，频率范围可变，频率稳定等特点，有很大的实用性；3) 但是，滤波阶数越高，就会导致成本提高，因为阶数越高，低通滤波器的电路结构越复杂，处理起来，难度就会越大。4.3.3. 用参数扫描分析法测试频率特性采用参数扫描方法分析电路，可以较快地获得某个元件的参数，在一定范围内变化时对电路的影响。相当于该元件每次取不同的值，进行多次仿真。对于数字器件，在进行参数扫描分析时将被视为高阻接地。下面针对二阶有源低通滤波电路进行参数扫描分析，以获得不同参数对整个频率特性的影响。 分析在图3.3.6所示二阶有源低通滤波电路中，改变电阻，的值，从而可以改变Q值，观察频率特性变化。由理论分析结果可知，改变放大倍数，即可改变Q值。利用Multisim的参数扫描分析功能，既可得到不同条件下的频率特性。在主菜单栏中，选择SimulateAnalysesParameter Sweep命令，在出现的对话框中进行如下设置：器件类型选择电阻，器件名称选择电阻，分别取,6 200，11 780。“More Options”选项中，扫描类型选AC Analysis，再选择节点V(6)为输出节点，点击Simulate进行仿真，得到取3个不同阻值时电路的幅相特性曲线，如图4.3.7所示。a 用参数扫描分析法得到的分析表b 用参数扫描分析法得到的数据图4.3.7 用参数扫描分析法得到的幅/相特性曲线从图4.3.7中可以看出，3条曲线从下至上对应的Q值是0.5，1，10，电阻分别为，6 200，11 780，幅频特性纵坐标对应的对数坐标分别-8.3dB，3.0dB，13.2dB，对应的3dB截止频率约为126kHz。可见，越大，越大，Q越大，幅频特性曲线越尖锐。在同样的设计截止频率下，Q值的不同对实际截止频率有较大的影响。同理可以分析电阻对幅频特性的影响。 分析从图4.3.8中可以看出，3条曲线从下至上对应的Q值是0.6，1，10，电阻分别为11 780，6 200，3 263幅频特性纵坐标对应的对数坐标分别-2.2dB，3.0dB，13.1dB，对应的3dB截止频率约为126kHz。可见，越小，越大，Q越大，幅频特性曲线越尖锐。a 用参数扫描分析法得到的分析表b 用参数扫描分析法得到的数据图4.3.8 用参数扫描分析法得到的幅/相特性曲线 分析在主菜单栏中Simulate项中选择Analyses中的Parameter Sweep。参数设置如下在出现的对话框中进行如下设置：设备项中选择电容设备，元件名选择，参数选择电容量，电容量使用1e-007,1e-008,1e-009三个值。点击more选项，选择AC Analysis（交流分析），再选择节点6作为输出节点。点击simulate进行仿真，得到取上述三个不同值时电路的幅频特性曲线（图4.3.9）图4.3.9 取不同值时二阶低通滤波器电路的幅频特性曲线图4.3.9中，三条曲线由下至上对应的电容分别为1e-007, 1e-008, 1e-009，对应的截止频率分别为454.5976Hz，5.7156kHz，100kHz。很显然，减少引起电路的截止频率增大，通频带变宽。而的变化对电压增益基本不影响。采用类似的方法，还可以分析电容，电阻，对通频带的影响。分析结果如下：，的变小均会引起电路截止频率的增大和通频带的变宽，而，的变化对电压增益的影响不大。与输出电压幅度成反比，与输出电压幅度成正比，但，的变化不影响电路的频率特性。河南城建学院本科毕业设计（论文） 结束语结束语通过这次毕业设计我对有源模拟低通滤波器的原理、种类、应用都有了很深的学习。对设计电路图，电路的频域分析，Multisim7仿真软件都有了一定的学习。这次毕业设计圆满完成的关键是电路图的设计，它是所有过程的基础，是最重要的步骤，只有设计出了正确的电路图，才能进行一系列的分析。其次是频域分析，软件仿真。这次设计不仅很顺利而且也很成功，仿真的结果很理想。我相信这与老师平时严谨的教学态度密不可分，因为老师平时要求严格，才使得我们养成了良好的习惯，为这次毕业设计的成功，奠定了坚实的基础。不过，由于系统本身、数值估算及计算过程的影响，还是出现了一点儿小误差。但是总体效果很好，具有较好稳定性和使用性等。总的来说，这次对一阶和二阶有源低通模拟滤波器的设计达到了设计要求，很成功。这次设计的两个滤波器对比来说，一阶有源低通模拟滤波器的滤波效果比不上二阶有源低通模拟滤波器，二阶有源低通模拟滤波器的滤波效果比不上三阶有源低通模拟滤波器，二阶滤波器还具有体积小，功耗低，精度大，频率范围可变，频率稳定等特点，有很大的实用性。但是，滤波阶数越高，就会导致成本提高，因为阶数越高，低通滤波器的电路结构越复杂，处理起来，难度就会越大。最后希望滤波器的发展越来越快，越来越好。通过本次毕业设计的实践，我学到了许多东西，知道光靠书本上的知识是远远不够的，无论是在电路设计，分析，仿真上，我都遇到了不少的问题，这就需