二二阶RC有源滤波器的设计MultiSim仿真

1、湖南人文科技学院毕业设计二阶RC有源滤波器的设计报告滤波器是一种能够使有用频率信号通过， 而同时抑制 （或衰减） 无用频率信号的电子电路或 装置， 在工程上常用它来进行信号处理、 数据传送或抑制干扰等。 有源滤波器是由集成运放、 R、 C组成，其开环电压增益和输入阻抗都很高，输岀阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的 电压放大和缓冲作用， 但因受运算放大器频率限制， 这种滤波器主要用于低频范围。 设计几种典 型的二阶有源滤波电路：二阶有源低通滤波器、二阶有源高通滤波器、二阶有源带通滤波器， 研究和设计其电路结构、传递函数，并对有关参数进行计算，再利用multisim 软件进行仿真，组装和调试

2、各种有源滤波器，探究其幅频特性。经过仿真和调试，本次设计的二阶RC有源滤波器各测量参数均与理论计算值相符， 通频带的频率响应曲线平坦， 没有起伏， 而在阻频带则逐渐下 降为零，衰减率可达到 |-40Db/10oct|, 滤波效果很理想。1965 年单片集成运算放大器的问世，为有源滤波器开辟了广阔的前景； 70 年代初期，有源滤波器发展引人注目，1978年单片RC有源滤波器问世，为滤波 器集成迈进了可喜的一步。 由于运放的增益和相移均为频率的函数， 这就限制了 RC有源滤波器的频率范围，一般工作频率为 20kHz左右，经过补偿后，工作频 率也限制在100kHz以内。1974年产生了更高频的RC有

3、源滤波器，使工作频率 可达GB/4 （GB为运放增益与带宽之积）。由于R的存在，给集成工艺造成困难， 于是又出现了有源C滤波器：就是滤波器由C和运放组成。这样容易集成，更重 要的是提高了滤波器的精度，因为有源C滤波器的性能只取决于电容之比，与电 容绝对值无关。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

4、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. 设计技术指标 设计二阶RC有源低通滤波器：通带增益AUF=2品质因数Q=0.707;截 止频率 fH=20KHz；（2）设计二阶RC有源高通滤波器：通带增益AUF=2品质因数Q=0.707;截 止频率 fL=2kHz；（3）设计二阶RC有源带通滤波器：通带增益AUF=2中心频率：fO =1.24kHz; 带宽 :Hz-kHz ；2.1方案框图RC网络放大器反馈网络图2-1 RC有源

5、滤波总框图2.2各部分电路的作用2.2.1 RC网络的作用在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选 取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。放大器的作用电路中运用了同相输入运放，其闭环增益RVF=1+R4/R3同相放大器具有输 入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。反馈网络的作用将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端，称为反馈，其中的电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。2.3方案选择滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器应在 要求的频带内具有均匀而稳定的增益， 而在通带以外则具有无穷大的衰减。 然而 实际的

6、滤波器距此有一定的差异，为此我们采用各种函数来逼近理想滤波器的频 率特性。滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器 件。滤波器的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的边界频率（没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率），通带传输系数。阻带指标为带外传输系数的 衰减速度（即带沿的陡变）。下面简要介绍设计中的考虑原则。关于滤波器类型的选择由于巴特沃斯滤波器通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而 在阻频带内则逐渐下降为零， 在振幅的对数对角频率的波特图上， 从某一边界角 频率的增加而逐渐减少， 趋向负无穷大， 本次我选择设计巴特沃斯二阶有源低通 滤波器和高通滤波器

7、； 而带通滤波器要求通带较宽时， 用低通滤波器和高通滤波 器串联组成比直接用环型带通滤波器要好。2.3.2 级数选择一阶滤波器电路最简单， 但带外传输系数衰减慢， 一般在对带外衰减性要求 不高的场 - 2 -湖南人文科技学院毕业设计 合下选用。 无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感， 在这点上它 不如压控电压源型二阶滤波器。每一阶低通或高通电路可获得 -6dB 每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得 -12dB每倍频程 （ -40dB 每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶数等于各 级阶数之和。当要求的带外衰减特性为-mdB每倍频程（或m

8、dB每十倍频程）时， 则取级数n应满足n大于等于m/6（或n大于等于m/20），根据带外衰减特性的要 求，我选择二阶滤波器。2.3.3 运放的要求在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。2.3.4 元器件的选择电容的选择：一般设计滤波器时都要给定截止频率 fc （ 3 c）带内增益Av,以 及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707 ）。在设计时经常出现待确定其值的 元件数目多于限制元件取值的参数之数目， 因此有许多个元件均可满足给定的要 求，这就需要设计者自行选定某些元件值。 一般从选定电容器入手， 因为电容标 称值的分档较少，电容难配，而电阻易配 .电阻的选择 ：根据电容的确定和规

9、定的截止频率和带内增益以及参数计算得 的结果和市场上所出售的情况而选择 .3.1 有源滤波器的基本概念由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为 RC有源滤波器，其功能是让一定 频率范围内的信号通过， 抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。 可用在信息处 理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要 用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通 （LPF）、高通（HPF）、带 通（BPF）等滤波器，它们的幅频特性如图 3-1所示。 由于具有理想幅频特性的滤波器很难实现， 只能用实际的幅频特性逼近。 一般来 说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶

10、数越高 , 幅频特性衰减的速率越快，但 RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路 调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶 RC有滤波器级联实现。（a）低通（b）高通（c）带通图3-1滤波电路的幅频特性示意图3.2有源滤波器的传输函数表1二阶RC滤波器的传输函数表-3 -类型传输函数性能参数电压增益低通4高通滤波器的截低、止角频率高通匸I带阻滤波器带阻塞、的中心角频率,ci)A sA(s)=带通、带阻滤波器的BW带宽带通3.3 单元电路的设计二阶RC有源低通滤波器（LPF）的设计1 ）低通滤波器特性（）所示，为典型的 a3-2低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图（CRC

11、8波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电 容二阶有源低通滤波器。它由两级）为二阶低通滤波器幅频特b （接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图 3-2性曲线。2D|g 攻 Z1E（a）电路图（b）频率特性二阶低通滤波= 1 + 器3-2 图（2）电路性能参数二阶低通滤波器的通带f =增益乜沁 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率Q 湖南人文科技学院毕业设计7 一品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状o A3 A 2处，幅频特性在当处的电压增益将大于时，Q>1,在pupiA接到输出端，等X，有源滤波器自激。由于将> 3时，将抬咼如图2-2

12、所示。当Q=pu加了一点正反馈，所以在咼频端的放大倍数有所抬咼，甚至可能 引起自于在高频端给LPF激。HPF）的设计二阶RC有源高通滤波器（高通滤波器的性能（1）与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换， 即可变成二阶有源高通只要将图 3-3所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反， 其频率响应和低通滤波器滤波器，如图 3-3（a）的幅频特性。HPF是“镜象”关系，仿照LPH分析方法，不难求得20幅频特性（a）电路图（b）二阶高通滤波器图3-3人厂1十A）电路性能参数：（2人二阶高通滤波器的通带增益2ttRCQ =截止频率，它是二阶

13、高通滤波器通带与阻带的界限频率。3-品质因数，它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的 形状。A时，电路自激。电路；当3当dB/dec时，幅频特性曲线的斜率为+40 pu- 5 -Af各量的函义同二阶低通滤波器。、性能参数pg图3-3 （b）为二阶高通滤波器 的幅频特性曲线，它与二阶低通滤波器的幅频特性曲线有“镜像”关系。333二阶RC有源带通滤波器（BPF的设计（1）带通滤波器特性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。反之则为带阻滤波器。如图 3-4所示。

14、（a）带通滤波器原理框图（b）电路图（c）幅频特性图2-4二阶带通滤波器（2）电路性能参数Aup=Aup1+Aup2 fH=1/(2 n R1C1 FL=1/(2 n R2C2) F0= (fH+fL ) /2 Q=f0/(fH-fL ) 形状二阶带通滤波器的通带增益二阶低通滤波器的截止频率二阶高通滤波器的截止频率中心频率品质因数，其大小影响滤波器在截止频率处幅频特性的4.1 MultiSim软件介绍Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以 Windows为基础的仿真 工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形 输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰

15、富的仿真分析能力。它提供了仿真实 验和电路分析两种仿真手段，可用于模拟电路、数字电路、数模混合电路和部分 强电电路的仿真、分析和设计。Multisim是一种优秀而易学的 WDA电子设计自动化）软件，与其他仿真分析软 件相比，EWB勺最显著特点就是提供了一个操作简便且与实际相似的虚拟实验平 台。他几乎能对”电子技术”课程中所有基本电路进行虚拟实验，虚拟实验过程和仪器操作方法与实际相似，但比实际方便、省时。他还能进行实际无法或不便 进行的试验内容，通过储存和打印等方法可精确记录器实验结果。它提供十多种 电路分析功能，能仿真电路实际工作状态 -6 -湖南人文科技学院毕业设计和性能。4.2 Multi

16、Sim 电路图与分析压控电压源型滤波器1.压控电压源型二阶低通滤波设计（2）幅频特性分析在Multisim 软件的虚拟仪器栏中选择虚拟波特仪，将波特仪的输入输出端分别 连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：该低通滤波器的通频带的频率响应曲线最大限度平坦， 没有起伏，而在阻频带则 逐渐下降为零，衰减率可达到每十倍频40分贝，滤波特性很理想，从图中可以看 出截止频率fo=20.375KHZ,与理论计算结果相符。-7 -2. 压控电压源型二阶高通滤波器设计(1)压控电压源型二阶高通滤波电路(2)幅频特性分析在Multisim 软件的虚拟仪器栏中选择虚拟波特仪，将波特仪的输

17、入输出端分别 连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：该高通滤波器的通频带的频率响应曲线最大限度平坦， 没有起伏，而在阻频带则 逐渐下降为零，衰减率可达到每十倍频40分贝，滤波特性很理想，从图中可以看 出截止频率fo=19.834kHz，与理论计算结果相符。3. 压控电压源型二阶带通滤波器设计(1)压控电压源型二阶带通滤波电路-8 -湖南人文科技学院毕业设计50C>pF3就.: 24.: -fl3554BMVEEd2VR4-Wv-：4SL0kQR549.QkO)幅频特性分析(2软件的虚拟仪器栏中选择虚拟波特仪，将波特仪的输入输 出端分别连接Multisim在：到

18、电路的输入端与输出端，再点击仿真按钮进行仿真，得到如下波形液琴测etcz-xBPi|兰，上限截止频率约为从图中可以看出该带通滤波器的中心频率fo=20.169kHz16.723kHz,与理论计算结果相符。23.342KHz,下限截止频率约为4. 压控电压源型二阶带阻滤波器设计 （1）.压控电压源型二阶带阻滤波电路-9 -2）幅频特性分析（软件的虚拟仪器栏中选择虚拟波特仪，将波特仪的输入输出端分别连接在Multisim: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111cHI模式輻直二、- .-_ _ :加平垂直i11i1i1丽1绒性绒性i1 iF WOfcHrF 10dSiii

19、1I 1kHz-10曲 "ii1一1控井iin1i1*1【厲向】【保存】丨设蛊】至丁 19，gO2kHs'-7.006dB& 十 进- 十出，上限截止频率约为fo=19.802kHz从图中可以看出该带通滤波器的中心频率 16.023kHz,与理论计算结果相符。下限截止频率约为22.112KHz,无限增益多路反馈二阶滤波器设计422无限增益多路反馈二阶低通滤波器设计1. 无限增益多路反馈二阶低通滤波电路（1）-10 -湖南人文科技学院毕业设计幅频特性分析：(2)软件的虚拟仪器栏中选择虚拟波特仪，将波特仪的输入输出端分别连接Multisim在：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,滤波特性很理想该低通滤波器的通频带的频率响应曲线最大限度平坦，没有 起伏fo=20.309KHZ，与理论计算结果相符。从图中可以看出截止频率2.无限增益多路反馈二阶高通滤波器设计(1)无限增益多路反馈二阶高通滤波电路-11-(2)幅频特性分析：软件的虚拟仪器栏中选择虚拟波特仪，将波特仪的输入输