基于Multisim的低通滤波器设计

引言Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司近年推出的电子线路仿真软件EWB(Electronics Workbench，虚拟电子工作平台)的升级版。Multisim为用户提供了一个集成一体化的设计实验环境。利用Multisim，建立电路、仿真分析和结果输出在一个集成菜单中可以全部完成。其仿真手段切合实际，元器件和仪器与实际情况非常接近。Multisim元件库中不仅有数千种电路元器件可供选用，而且与目前较常用的电路分析软件PSpice提供的元器件完全兼容。Multisim提供了丰富的分析功能，其中包括电路的瞬态分析、稳态分析、时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析和离散傅里叶分析等多种工具。本文以Multisim为工作平台；深入分析了二阶低通滤波器电路。利用Multisim可以实现从原理图到PCB布线工具包(如ElectrONICS Workbench的Ultiboard)的无缝隙数据传输，且界面直观，操作方便。2 电路设计由于一阶低通滤波器的幅频特性下降速率只有-20 dB10 f，与理想情况相差太大，其滤波效果不佳。为了加快下降速率，使其更接近理想状态，提高滤波效果，我们经常使用二阶RC有源滤波器。采取的改进措施是在一阶的基础上再增加一节RC网络。电路结构如图1所示，此电路上半部分是一个同相比例放大电路，由两个电阻R1，Rf和一个理想运算放大器构成。R1与Rf均为16 k。下半部分是一个二阶RC滤波电路，由两个电阻R2，R3及两个电容C1，C2构成。其中R2，R3均为4 k，C1，C2均为0.1F。电路由一个幅度为1 mV，频率可调的交流电压源提供输入信号，用一个阻值为1 k的电阻作为负载。3 理论分析3.1 频率特性二阶低通滤波器电路的频率特性为：3.2 通带电压放大倍数AUP低频下，两个电容相当于开路，此电路为同相比例器。3.3 特征频率f0与通频带截止频率fP4 Multisim分析4.1 虚拟示波器分析在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端分别连接到电路的输入端与输出端(即图1中的1、3节点)，再点击仿真按钮进行仿真，得到如下波形。图2为输入信号频率为1 kHz，幅度为1 mV时二阶低通滤波器电路的输入输出情况。图中横坐标为时间，纵坐标为电压幅度。我们选择示波器扫描频率为1 msdiv。纵轴每格均代表1 mV，输出方式为YT方式。幅度大的为输入信号，幅度小的为输出信号。很显然，输出信号的频率与输入信号一致，说明二阶低通滤波器电路不会改变信号频率。从图2还可以看出，在输入信号频率较大(如1 kHz)时输出信号的幅度明显小于输入信号的幅度。而低频情况下的理论计算结果AUP=2；即在低频情况下输出信号的幅度应为输人信号的两倍。很显然，输入信号频率较大时电路的放大作用已经不理想。调节输入频率，使之分别为800 Hz，600 Hz，400 Hz，300 Hz，200 Hz，150 Hz，1 Hz。由虚拟示波器得到输入频率为1 Hz时的输出电压Uo1=2 mV，即AUP=2，与理论计算值相吻合。而输入频率为150 Hz时Uo2=1.5 mV。此时Uo2最接近截止时的输出电压UP=0.707Uo1=1.414 mV。这说明截止频率fP接近150 Hz。我们发现，仅通过虚拟示波器分析，既很难得出fP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。4.2 交流分析(AC Analysis)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1 Hz，终止频率为10 MHz，扫描方式使用十进制，纵坐标以dB为刻度，在Output variables中选择输出节点(即图1中节点3)，然后点击simulate进行仿真分析，得到电路的幅频特性曲线如图3所示。4.2.1 通带电压放大倍数AUP的测量从特性曲线可以看出，在低频状态下频率变化对AUP的影响不大，频率较大时AUP随频率增加而急剧减小。高频状态下输出电压则接近于0。从对话框中可知纵坐标最大值为6.020 4 dB，即AUP=2，与理论计算值相符。4.2.2 通频带截止频率fP的测量fP为纵坐标从最大值(6.020 4 dB)下降3 dB时所对应的频率，即纵坐标为3.020 4 dB所对应的频率。将图3中右侧标尺移至3.020 4 dB附近，选其局部进行放大；再将该标尺精确移至纵坐标为3.020 4 dB处，得到的横坐标为148.495 2 Hz，即fP=148.495 2 Hz。这与理论计算得到的基本一致。4.3 参数扫描分析(parameter sweep)当某元件的参数变化时，利用Multisim中的参数扫描分析功能可以得到电路输入输出特性的变化情况。在主菜单栏中simulate项中选择Analysis中的parameter sweep。参数设置如下(以分析C1为例)：设备项中选择电容设备，元件名选择C1，参数选择电容量，电容量使用le-006F，le-007F，le-008F三个值。点击more选项，选择AC Analysis(交流分析)，再选择节点3作为输出节点。点击simulate进行仿真，得到C1取上述三个不同值时电路的幅频特性曲线(如图4所示)。图4中，三条曲线由下至上对应的电容分别为le-006F、le-007F、le-008F，对应的截止频率分别为35.550 Hz，148.493 7 Hz，193.375 6 Hz。很显然，C1减小引起电路的截止频率增大，通频带变宽。而C1的变化对电压增益基本无影响。采用类似方法，我们得到C2，R1，R2，R3和Rf对电路性能的影响如下：C2，R2和R3的变小均会引起电路的截止频率增大和通频带变宽。而C2，R2和R3的变化对电压增益的影响不大。R1与输出电压幅度成反比，Rf与输出电压幅度成正比，但R1和Rf的变化不影响电路的频率特性。5 结语由以上分析可知，Multisim中的仿真分析结果与理论计算结果十分接近。Multisim既是一个专门用于电子电路设计与仿真的软件，又是一个非常优秀的电子技术教学工具。Mult