毕业设计有源模拟带通滤波器的设计与分析doc.doc

毕 业 设 计 论 文题目：有源模拟带通滤波器的设 计与分析系 别：电气与电子工程系专 业：电子信息工程姓 名：张亚菊学 号：123408115指导教师：陈英河南城建学院2012年 5 月 22 日河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要摘 要 几乎在所有的工程技术领域中都会涉及到信号处理问题 ，滤波器作为信号处理的重要组成部分，已发展的相当成熟。随着计算机技术的发展，模拟电子技术已经成为一门应用范围极广，具有较强实践性的技术基础课程。电子电路分析与设计的方法也发生了重大的变革。滤波器在日常生活中非常重要，运用非常广泛，在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的滤波器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种滤波器。本文阐述了有源带通滤波器的基本原理，对滤波器的传输函数进行了推导并给出了两种设计方法：一种是无限增益多路负反馈（MFB）有源二阶带通滤波器电路，另一种是压控电压源（VCVS）有源二阶带通滤波器电路，并对两种电路的频率特性进行了分析，通过Multisim作电路仿真设计。经过仿真及仿真结果的分析验证了所设计的方法是正确的。 关键词：有源滤波器，带通，频率特性，Multisim7，分析II河南城建学院本科毕业设计（论文） AbstractAbstract In almost all engineering fields are related to signal processing, filter as an important signal processing component, has developed quite mature.With the development of computer technology, simulation of electronic technology has become a very wide range of applications, has a strong practical technical basic course. Electronic circuit analysis and design methods have been major changes. Filters are important in our everyday life, use is very extensive, in electronic engineering, communication engineering, automatic control, remote control, measurement equipment, instruments and computers and other technical fields, often need to use a variety of filter. With the rapid development of integrated circuits, integrated circuits can be used to easily form various filter. This paper expounds the basic principle of active band pass filter, the filter transfer function is deduced and gives two kinds of design methods: one is the infinite gain multiple negative feedback ( MFB ) active two order band pass filter circuit, the other is a voltage-controlled voltage source ( VCVS ) active two order band pass filter circuit, and the two circuit frequency characteristics are analyzed, through the Multisim circuit simulation design.After simulation and the simulation results verify the design method is correct. Key words: active power filter, Band pass, frequency characteristic, Multisim7, AnalysisIII河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 滤波器的简介11.2 滤波器的发展历程11.3 滤波器的分类21.4 滤波器的原理31.4.1模拟滤波的原理31.4.2带通滤波的原理42 技术指标及参数介绍62.1 技术指标62.2 实际滤波器的参数介绍63 电路的模块介绍83.1 高通滤波器的设计83.1.2电路参数的计算83.1.3 电路的仿真结果93.2 低通滤波器的设计103.2.1电路的设计103.2.2电路参数的计算113.2.3电路的仿真结果123.3 运算放大器LM324134 方案的设计154.1 方案一：二阶压控电压源带通滤波电路154.1.1方案一的电路设计154.1.2方案一的电路计算164.2 方案二:无限增益多路反馈带通滤波电路174.2.1方案二的电路设计174.2.2方案二电路计算174.3方案三: 四阶压控电压源带通滤波电路184.4实现方案的原理分析184.5有源滤波器的快速设计方法194.6滤波器的快速设计步骤214.7方案比较215 Multisim的仿真结果及分析235.1仿真软件Multisim的介绍235.2方案一的仿真及结果分析235.3 方案二的仿真及结果分析265.4方案三的仿真及结果分析295.5 实验的结果分析31总 结32参考文献33致 谢342河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论71 绪论1.1 滤波器的简介 滤波器（filter）是一种对信号有处理作用的器件或电路。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。 滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号,利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。滤波器是由电感器和电容器构成的网络，可使混合的交直流电流分开。 滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。 滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程，使用滤波器可以过滤掉信号中的噪声信号，使信号变得比较纯，更接近于有用信号。1.2 滤波器的发展历程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，导致了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，致力于各类新型滤波器的研究，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，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。1.3 滤波器的分类 按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种无源滤波器和有源滤波器。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。 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。按照滤波器的频率特性不同，滤波器通常可以分为四类：低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器、带通滤波器。 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。滤波器的两类响应有巴特沃斯响应和切比雪夫响应。按最佳逼近特性标准可以分为分：巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器巴特沃斯滤波器 ：巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦，非常接近DC信号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB，最终逼近-20ndB/decade的衰减率，其中n为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性，其幅频响应表达式为： （1-3-1）切比雪夫滤波器：切贝雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的，其幅频响应表达式为： （1-3-2）是决定通带波纹大小的系数，波纹的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件；Tn是第一类切贝雪夫多项式。与巴特沃斯逼近特性相比较，这种特性虽然在通带内有起伏，但对同样的n值在进入阻带以后衰减更陡峭，更接近理想情况。值越小，通带起伏越小，截止频率点衰减的分贝值也越小，但进入阻带后衰减特性变化缓慢。切贝雪夫滤波器与巴特沃斯滤波器进行比较，切贝雪夫滤波器的通带有波纹，过渡带轻陡直，因此，在不允许通带内有纹波的情况下，巴特沃斯型更可取；从相频响应来看，巴特沃斯型要优于切贝雪夫型，通过上面二图比较可以看出，前者的相频响应更接近于直线。 贝塞尔滤波器 ：只满足相频特性而不关心幅频特性。贝塞尔滤波器又称最平时延或恒时延滤波器。其相移和频率成正比，即为一线性关系。但是由于它的幅频特性欠佳，而往往限制了它的应用。1.4 滤波器的原理 1.4.1模拟滤波的原理我们知道，模拟滤波器是对模拟信号实行线性滤波的一种线性时不变系统，如图1.1所示。在时域内，它的动态特性可以用系统的单位冲激函数的响应来描述，也就是该滤波系统在任何时刻对输入单位冲激信号=（t）的输出响应。这个函数从时域上反映了该滤波系统的传输特性。对于任意输入信号，系统的输出可以卷积表示： = (1-4-1)上式表明在对线性滤波器系统进行时域分析时，采用了叠加原理，先将任意输入信号波形分成不同时间的窄脉冲之和，再分别求出各个脉冲通过滤波器之后的响应，并进行线性叠加从而得到总的输出信号。模拟滤波器,H(s)图1.1模拟滤波器原理在频域分析时，线性滤波器的转移函数等于系统的单位冲激函数的响应的拉普拉斯变换： （1-4-2）很明显，当s=j，上式就是傅立叶变换的表达式，它反映了滤波器的传输特性对各种频率的响应，也就是滤波器的频率响应函数，它决定着滤波特性。当滤波器输入信号与输出信号的拉普拉斯变换，得 （1-4-3）这表明两信号卷积的变换等于各自变换的乘积。在频谱关系上，一个输入信号的频谱，经过滤波器的作用后，被变换成的频谱。因此，根据不同的滤波要求来选定，就可以得到不同类型的模拟滤波器。还可以看出，滤波器的滤波过程就是完成信号与它的单位冲激函数响应之间的数学卷积运算过程。1.4.2带通滤波的原理带通滤波器是由高通RC环节和低通RC环节组成。带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。注意：要将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。典型的带通滤波器可以由RC低通滤波器和RC高通滤波器串联而成，从而实现了“带通滤波”的要求。二阶压控型有源带通滤波器原理框图如图1.2所示。 要将高通的下限截止频率2设置小于低通的上限截止频率1。其原理图如下图所示：低通滤波器V0Vi高通滤波器图1.2 带通滤波器的原理框图阻带通带阻带Aw0图1.3 理想带通滤波器的幅频特性 在有源滤波器中，除集成运算放大器外，常包含复杂的无源网络，它是元件的组合，在分析时利用“拉普拉斯”变换将电流电压变成“像函数”同时引入运算阻抗代替无源元件，求解有源滤波器的传递函数。将信号从时域转变到频域，输入输出信号都可分解成若干频率信号。传递函数： （1-4-4）它有幅频特性,相频特性。对于有源滤波器利用运放实现放大作用，所以RC环节实现滤波功能。其中有n个RC滤波环节就为n阶滤波，越多越好。运放使滤波器与负载隔离，增强了带负载的能力。河南城建学院本科毕业设计（论文） 技术指标及参数介绍2 技术指标及参数介绍2.1 技术指标设计一个有源模拟带通滤波器要求其技术指标要满足以下标准：中心截止频率为：fo = 1 kHz ；电压增益： Av=2；品质因数Q分别值取10和5；阻带衰减速率为：-40dB/10倍频。2.2 实际滤波器的参数介绍理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快越好、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。纹波幅度d 在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比，越小越好，一般应远小于-3dB。截止频率fc 幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率。以A0为参考值，0.707A0对应于-3dB点，即相对于A0衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。带宽B和品质因数Q值 上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力。在电工学中，通常用Q代表谐振回路的品质因数。在二阶振荡环节中，Q值相当于谐振点的幅值增益系数， Q=1/2（阻尼率）。对于带通滤波器，通常把中心频率f0和带宽 B之比称为滤波器的品质因数Q。例如一个中心频率为500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50。Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。 倍频程选择性在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性，是指在上截止频率fc2与 2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量 (2-2-1) 或 (2-2-2)倍频程衰减量以dB/oct表示（octave，倍频程）。显然，衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可用10倍频程衰减数表示之。即dB10oct。 滤波器因数（或矩形系数）滤波器因数是滤波器选择性的另一种表示方式 ，它是利用滤波器幅频特性的 -60dB带宽与-3dB带宽的比值来衡量滤波器选择性，记作 ，即 (2-2-3)理想滤波器矩形系数为1，常用滤波器矩形系数为15，显然， 越接近于1，滤波器的选择性越好。河南城建学院本科毕业设计（论文） 电路的模块介绍河南城建学院本科毕业设计（论文） 电路的模块介绍153 电路的模块介绍有源模拟带通滤波器是由三部分组成：高通滤波器、低通滤波器、运算放大器。带通滤波器是由高通滤波器和低通滤波器串联组成。在这里我根据滤波器的快速设计表随机选择了一组参数设计了高通滤波器和低通滤波器。3.1 高通滤波器的设计高通滤波器是一种用来传输高频信号，抑制或衰减低频信号的电路。滤波器的阶数越高，幅频特性越接近理想高通特性。常用的有源二阶高通滤波器电路有两种形式，一种是无限增益多路负反馈有源二阶高通滤波器电路，另一种是压控电压源（VCVS）有源二阶高通滤波器电路。在这里主要介绍压控电压源型高通滤波器。3.1.1电路的设计具体电路图设计如下：图3.1 二阶无限增益多路反馈高通滤波器电路3.1.2电路参数的计算在设计的过程中我运用的是滤波器的快速算法，在这里我选取截止频率为fc=100Hz,增益AV=5，下表3.1是高通滤波器的快速算法在该条件下所得到的,数据。表3. 1 二阶高通滤波器的快速设计表无限增益多路反馈电路电 路 的 参 数元件的选取 3.1.3 电路的仿真结果图3.2 高通滤波器的幅频响应图3.3高通滤波器的幅频响应及相位特性结果分析：根据图3.2和图3.3可以求得滤波器的性能参数为AV=4.935，fc=98Hz100Hz,说明这种快速算法在误差允许的情况下是正确的。 3.2 低通滤波器的设计常用的有源二阶低通滤波器电路有两种形式，一种是无限增益多路负反馈有源二阶低通滤波器电路，另一种是压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路。在此主要介绍压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路。3.2.1电路的设计具体的电路如图：图3.4 压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路3.2.2电路参数的计算在设计的过程中我运用的是滤波器的快速算法，在这里我选取截止频率为fc=2KHz,增益AV=2，下表3.1是高通滤波器的快速算法在该条件下所得到的数据。表3. 2 二阶低通滤波电路的快速设计表压控电压源电路性 能 参 数 元件的选取 3.2.3电路的仿真结果图3.5低通滤波器的幅频响应图3.6低通滤波器的交流分析图结果分析：根据图3.5和图3.6可以求得滤波器的性能参数为AV=2.082，fc=2KHz,说明这种快速算法在误差允许的情况下是正确的。3.7低通滤波器的输入输出波形图以上电路的信号从运放的同相输入端输入，故滤波器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，运放和 R5、R8组成电压控制电压源，因此称为压控电压源LPF。并且电容C3原来是接地的，改为接到输出端，形成集成运算放大器的正反馈。对于这个反馈，左边的电容C3使相位超前，右边的C4仍使相位滞后。只要参数选的合适，可使整个电路在f0附近既带有正反馈而又不造成自激振荡。这样，就可使滤波器f= f0附近的电压增益提高，使f= f0附近的对数幅频特性接近理想的水平线。 3.3 运算放大器LM324LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用下图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3.8。 图3.8运算放大器LM324的管脚排列图河南城建学院本科毕业设计（论文） 方案的设计河南城建学院本科毕业设计（论文） 方案的设计234 方案的设计常用的有源二阶低通滤波器电路有两种形式，一种是无限增益多路负反馈（MFB）有源二阶带通滤波器电路，另一种是压控电压源（VCVS）有源二阶带通滤波器电路。图4.1所示的电路为压控电压源电路，其中运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称为电压控制电压源电路，其优点是电路性能稳定、增益容易调节。图4.2所示电路为无限增益多路反馈电路，其中运放为反相输入，输出端通过、形成两条反馈支路，故称为无限增益多路反馈电路。其优点是电路有倒相作用，使用的器件较少，但增益调节对其想能参数会有影响，故应用范围比VCVS电路要小。在该设计中我把两个方案都做出来，并进行了比较。4.1 方案一：二阶压控电压源带通滤波电路4.1.1方案一的电路设计方案一的电路图如下图所示：图4.1 压控电压源带通滤波电路图4.1.2方案一的电路计算比例系数 (4-1-1)当C1=C2=C时，R1=R4，R2=2R4时，电路的传递函数 (4-1-2)令中心频率，则电压放大倍数 （4-1-3） 当f=f0时，得通带放大倍数 （4-1-4）令式（4-1-3）分母的模为2，即式（4-1-3）分母虚部的绝对值为1，即 （4-1-5） 解方程，取正值，就可得到下限截止频率fp1，和上限截止频率fp2分别为 （4-1-6） （4-1-7）因此，通频带 （4-1-8）4.2 方案二:无限增益多路反馈带通滤波电路4.2.1方案二的电路设计方案二的电路图如下图所示：图4.2 无限增益多反馈带通滤波电路图4.2.2方案二电路计算图4.2给出了多重反馈型BPF的电路图，其常数是增益 (4-2-1)若给定，（0），Q，由于，则有 (4-2-2)若=则有 (4-2-3) (4-2-4) (4-2-5)若（开路），则有 (4-2-6) (4-2-7)4.3方案三: 四阶压控电压源带通滤波电路为了比较电路的阶数的不同时带通滤波器有什么不同，我又设计了方案三，在这个方案中我设计的是压控电压源带通滤波器，这个滤波器的Q=10，是由两个Q=10的压控电压源带通滤波器组成。具体电路如下：图4.3 四阶压控电压源带通滤波电路4.4实现方案的原理分析方案一由压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路和压控电压源（VCVS）有源二阶高通滤波器电路组成。低通滤波器提供限截止频率，高通滤波器提供下限截止频率，二者结合出现通频带。上图中，左边是高通滤波器，右边是低通滤波器。图中R4与R5实现对输入信号的放大，和运放构成反相比例放大电路。R1与C2、R2与C1构成低通滤波器和高通滤波器，R3引入正反馈，使相位超前，R5使相位落后，只要参数合适，可以使fo附近既有正反馈又不造成自激振荡。这样就使fo附近的电压增益提高，又使其附近的对数幅频特性接近理想水平线。同样的R5与C4、R6与C3构成低通滤波器，C4引入正反馈，作用同R2。方案三的电路是由两个方案一的电路组成，其基本原理同方案一。4.5有源滤波器的快速设计方法在设计滤波器时，通常给定的性能指标有截止频率或截止角频率，带内增益，以及滤波器的品质因数Q。在设计中，如果仅由截止角频率，带内增益及品质因数Q这三个数求出电路中的所有R、C元件的值，是相当困难的。通常是先设定一个活几个元件的值，再有带通滤波器的计算公式建立方程组，求其它的元件的值。设定的元件参数越少，方程求解越难，但电路的调整较方便。现在已用计算机完成了方程组的求解，并将具有巴特沃思相应、切比雪夫响应的n=28阶的有源滤波器的电路及其所有的RC元件的值制成设计表，设计人员只需要查表就能得到滤波器的电路及RC元件电路。称这种查表发为有源滤波器的快速设计方法。以下取了，Q=5、10，=2，截止频率=1khz时得快速设计值，如下表所示： 表4.1 滤波器截止频率与电容C及参数K的对应关系表4. 2 带通滤波电路的快速设计表压控电压源电路无限增益多路反馈电路性 能 参 数 设 计 表Q=5Q=10Q=5Q=10R1=7.958KR1=15.915R1=3.979R1=7.958R2=2.416R2=2.332R2=0.166R2=0.080R3=1.208R3=1.166R3=15.915R3=31.831R4=4.832R4=4.664R5=4.832R5=4.664电阻为参数K=1时得值，单位为k调节R4、R5可调整AV，f0不变，带宽BW（或Q）改变调整R1可调整增益AV，但影响f0,调节R3将影响带宽BW（或Q）。同相端和地之间接一个等于R3的电阻使直流失调减到最小 有表4.1可得截至频率与电容C的关系如下表4.3所示：表4.3 滤波器截止频率与电容C的对应关系截止频率单位HZ1-1010-电容C1-1010-截止频率单位HZ-电容C(0.1-300)(0.003-0.001)(680-10)滤波器的快速设计方法：根据截止频率，从表4.2中选择一个电容C的标称值（单位uf），使其满足 从设计表4.1中查出与对应的电容值及K=1时得电阻值。再将这些电阻值乘以K，得电阻的设计值。实验调整并修改电容、电阻值，测量滤波器的性能参数，绘制幅频特性曲线。4.6滤波器的快速设计步骤在这里只求Q=10时压控电压源带通滤波器的参数值：由表4.3得中心频率fo=1KHz时，可取C=0.02uf，此时对应的参数K=5；在设计表4.2中查Q=10时，得Av=2、K=1时的电阻值R1=15.915 ,R2=2.332 ,R3=1.166 ,R4=R5=4.664 ;将上述电阻值乘以参数K=5，得R1=79.575,R2=11.66,R3=5.85,R4=R5=23.33 ;实验调整，输入信号Vi=100mV，测带通滤波器的各项性能参数，测量结果为:fo=1KHz，BW=200Hz，AV=1.3，Q=5。幅频特性的衰减速度由电路的品质因数Q决定。还可以进一步调整修改元件参数，使性能指标达到设计要求。Q=5时压控电压源带通滤波器、Q=5时的无限增益多反馈带通滤波器及Q=10时的无限增益多反馈带通滤波器设计步骤和Q=10时的压控电压源带通滤波器的设计步骤相同。河南城建学院本科毕业设计（论文） 方案的设计4.7方案比较方案一、方案二和方案三的比较：方案一与方案二都是二阶有源带通滤波器，其幅频响应的斜率为-40dB/十倍频。该电路都采用了压控型滤波器。正反馈的加入使滤波器在f0附近的电压增益提高，使f0附近的对数幅频特性接近理想的水平线。方案一是压控电压源电路，其中运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低。方案二是无限增益多路反馈电路，其中运放为反相输入，输出电阻通过C和R形成两条反馈支路，其优点是电路有倒相作用，使用的元件少。方案二增益调节对电路的性能参数会有影响，其应用范围没有电压控制电压源电路的应用范围广。方案三是压控电压源四阶带通滤波器，该电路的阶数比方案一的阶数高，滤波性能比方案一的要好。22河南城建学院本科毕业设计（论文） 电路参数的设置22河南城建学院本科毕业设计（论文） Multisim的仿真结果及分析33河南城建学院本科毕业设计（论文） Multisim的仿真结果及分析5 Multisim的仿真结果及分析5.1仿真软件Multisim的介绍自从加拿大InteractiveImageTechnologies公司推出了EDA软件工具ElectronicsWorkbench后，该软件不断得到改进与升级，用户越来越多。该公司1999年推出的电路设计仿真工具Multisim（6.11版），目前在不断升级完善。Multisim 提供了全面集成化的设计环境，完成从原理图设计输入、电路仿真分析到电路功能测试等工作。当改变电路连接或改变元件参数，对电路进行仿真时，可以清楚地观察到各种变化对电路性能的影响 。该软件有以下特点：所见即所得的设计环境；互动式的仿真界面；动态显示元件（如LED，七段显示器等）；具有3D效果的仿真电路；虚拟仪表；分析功能与图形显示窗口。软件的仿真过程：取用元件：从元器件库中取用所需元件；摆放元件：调整元件的位置与方向；线路连接：连接元件的引脚。启动仿真：启动仿真。5.2方案一的仿真及结果分析 Q=10时的仿真图:图5.1 Q=10时的压控电压源带通滤波电路的幅频特性曲线图5.2 Q=10时压控电压源带通滤波电路的交流分析图结果分析：由图5.1可直接看出该电路的中心频率f0=1.009KHz1KHz,又有图可知，计算得出AV=1.9052，经验证，在误差允许的范围内该电路基本上符合题目的要求。 Q=5时的仿真图:图5.3 Q=5时的压控电压源带通滤波电路的幅频特性曲线图5.4 Q=5时压控电压源带通滤波电路的交流分析图结果分析：由图5.3可直接看出该电路的中心频率f0=996.869Hz1KHz,又有图可知，计算得出AV=2.0192，经验证，该电路基本上符合题目的要求。图5.5 Q=5时压控电压源带通滤波电路的波形图 由图5.5可知压控电压源带通滤波器是从运放的同相输入端输入的，输入输出波形同相。还可以求出放大倍数为1.803V/912.177mV=1.9772。5.3 方案二的仿真及结果分析Q=10时的仿真图图5.6 Q=10时无限增益多反馈带通滤波电路图的幅频特性曲线图5.7 Q=10时无限增益多反馈带通滤波电路图的交流分析图结果分析：由图5.6可直接看出该电路的中心频率f0=984.44Hz1KHz,又有图可知，计算得出AV=1.9892，经验证，该电路在误差允许的范围内基本上符合题目的要求。Q=5时的仿真图图5.8 Q=5时无限增益多反馈带通滤波电路图的幅频特性曲线图5.9 Q=5时无限增益多反馈带通滤波电路图的交流分析图结果分析:由图5.8可直接看出该电路的中心频率f0=1.022KHz1KHz,又有图可知，计算得出AV=1.872，经验证，在误差允许的范围之内该电路基本上符合题目的要求。 由图5.7和图5.9可以比较出品质因数Q和带宽BW有关，Q越大，幅频特性曲线越窄，即通频带越小；Q越小，幅频特性曲线越宽，即通频带越小。图5.10无限增益多反馈带通滤波电路图的输入输出波形图结果分析：由图5.10可知无限增益多路反馈带通滤波器是从运放的反相输入端输入的，输入输出波形反相。还可以求出放大倍数为1.794V/912.177mV=1.972，与方案所要求的条件基本符合。5.4方案三的仿真及结果分析图5.11 Q=10时的四阶压控电压源带通滤波电路的幅频特性曲线图5.12 Q=10时四阶压控电压源带通滤波电路的交流分析图结果分析：由图5.11可直接看出该电路的中心频率f0=1.009KHz1KHz,又有图可知，计算得出AV=3.63大约等于4，该电路的增益基本上是二阶电路的二倍，即等于两个电路相乘。经验证,在误差允许的范围内该电路基本上符合题目的要求。由图5.2和图5.12可以比较出带通滤波器的阶数与过渡带有关，阶数越高带通滤波器的过渡带越小，幅频特性曲线越平缓，越接近理想的带通滤波器。还可以得出四阶电路的放大倍数是两个二阶电路的乘积。图5.13无限增益多反馈带通滤波电路图的输入输出波形图由图5.13可知压控电压源带通滤波器是从运放的同相输入端输入的，输入输出波形同相,还可以求出放大倍数为3.679V/912.177mV=4.0324,基本上符合题目的要求。5.5 实验的结果分析由上面的仿真图可以得出如下结论：增益AV2；中心频率f01K；由滤波器的交流分析图5.2和图5.4、图5.7和图5.9比较可以得到如下结论：Q值越大，通带放大倍数数值越大，频带越窄，选频特性越好；由输入输出波形图5.5、图5.10和图5.13可得如下结论:压控电压源带通滤波器输入输出同相，无限增益多反馈带通滤波器输入输出反相；还可以根据U0/Ui求出放大倍数，即AV；由图5.2和图5.12可知滤波器的阶数越高过渡带越窄；经过电路的仿真分析可以验证该电路的设计基本符合题目的要求。河南城建学院本科毕业设计（论文） 心得体会河南城建学院本科毕业设计（论文） 总结总 结 在电子电路中，输入信号的频率有很多，其中有些频率是需要的工作信号，有些频率是不需要干扰信号频率分量。如果这两个信号在频率成分上有较大的差别，就可以用滤波的方法将所需要的信号滤出。为了解决上述问题，我们必须要采用滤波电路，这就是这次毕业设计的意义所在。通过这次毕业设计，我更好地认识到了Multisim7软件在电路仿真中的应用。最后这次设计也让我跟好的掌握了滤波器的特性，特别是带通滤波器的特性及实现，让我接触到了很多在模电书中没有深入了解的知识，如Q品质因数，传递函数，巴特沃斯特性和切比雪夫特性。 在刚拿到毕业设计的题目及要求时，感觉自己有种无能为力的感觉，因为当时我们的老师并没有将很多关于滤波器方面的知识，而与电容电感这些元器件有关的计算向来就比较麻烦，自己就有点怕，但是还好自己并没有被这种心理所驯服，自己在网上收资料，去图书馆，看模电书，自己一点点的学。先在模电书上第七章的一阶RC低通高通滤波电路的引入开始，了解RC低通滤波电路的特点和RC高通滤波电路的特点；并在深入了解其相应的计算后，通过有源滤波器的学习更加深入的了解了低通滤波、高通滤波、带阻滤波和带通滤波的特点，及其实现方案，当然书本上的知识有限，要想再深一步的了解还要通过上网、图书馆查阅相关的资料，弥补了课本知识的不足。经过几天的查阅资料分析电路的原理图，终于把这个设计做好了，而且经过软件的仿真证明了我所做的设计在误差允许的范围内是正确的。 通过这次毕业设计我除了以上讲的客观上的收获外，也明白了有些事看起来难其实都是纸老虎，只要自己肯下狠心，认真搜资料，认真学，就一定能做好