基于Multisim的有源滤波电路的设计

1、 本文由542788993贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 毕业设计论文 作者 系部 专业 题目 指导教师 评阅教师 完成时间： 学号 电子信息学院 无线电技术 基于 Multisim 的有源滤波电路的设计 2010 年 4 月 12 日 毕业设计(论文) 毕业设计(论文)中文摘要 设计 1 基于 Multisim 的有源滤波电路的设计 摘要：滤波器是一种能够滤除不需要频率的分量、保留有用频率分量的电路。工程 ： 上常用于信号处理、数据传输和抑制干扰等方面。利用运算放大器和无源器件（R、 L、C）构成有源滤波器具有一定的电压放大和输出缓

2、冲作用。按滤除频率分量的范 围来分，有源滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。 本文介绍了有源滤波器的具体功能及特点，并利用 Multisim7 软件完成有源滤波电 路的设计。 关键词：有源滤波器 Multisim7 幅频响应 毕业设计(论文) 毕业设计(论文)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 component

3、s of the circuit. 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

4、by filtering the 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. keyw

5、ords: : Active Filter Multisim7 frequency response 目录 1 引言 3 2 电路模拟过程 3 有源滤波电路的设计 3.1 低通滤波器 3.2 高通滤波器 3.3 窄带带通滤波器 3.4 带阻滤波器 3.5 利用 Multisim 7 中的 Filter Wizard 设计滤波器 4 Multisim 7 软件 4.1 Multisim 7 软件概述 结论 致谢 参考文献 1 引言 4 有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能 够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。 顾名思义该装置需要提 供电源，其应用可克服

6、 LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传 统的只能固定补偿） ，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。 有源滤波器的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） ；但是通带 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。 2 电路模拟过程 新建设计项目 电路图的生成 交流分析 否 优化设计 满足设计结果 完成 图 3-1 电路模拟过程 （1）新建

7、设计项目 打开 Multisim 7 软件，新建一个空白页。 （2）电路图的生成 项目名确定后，就应该在电路图绘制软件环境下，以人机交互方式将用户确 定的电路设计方案以电路原理图形式送入计算机。 （3）交流分析 5 生成电路图后， 需根据电路设计任务确定要分析的电路特性类型并设置与分 析有关的参数。启动仿真后，根据幅频响应适当微调参数，移动幅频特性指针读 取该滤波器的频率。 （4）优化设计 在电路模拟过程中，如果电路设计方案不合适、电路图生成中出现差错或分 析参数设置不当，都会导致 Multisim 7 因检测出错而不能正常运行或出现运行 结果不满足设计要求的情况。这时应分析问题所在，确定应修

8、改电路设计还是要 纠正电路图生成中的错误或重新设置分析参数。然后再从上述第 2 阶段或第 3 阶段开始，进行新一轮的设计模块过程。有时需要经过几个循环的设计模拟才能 得到满足要求的电路设计。为了尽快纠正电路模拟中的错误，用户查阅相关文件 中的信息内容，也可以在幅频响应分析窗口中分析错误信息。 （5）完成 经过上述几个阶段， 得到符合要求的电路设计后， 就可以输出全套电路图纸， 包括各种设计报表（如元器件清单、电路图纸层次结构表等），完成电路设计。 3 有源滤波电路的分析 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

9、器性能的技术指标主要有：中心频率 f0，即工作频带的中心； 带宽 BW；通带衰减，即通带内的最大衰减；阻带衰减。 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。 3.1 低通滤波器 现代滤波器设计，多是采用滤波器变换的方法加以实现。主要是通过对低通 原型滤波器进行频率变换与阻抗变换，来得到新的目标滤波器。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

10、为矩形滤波器。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。 6 fn = 1 1 = = 15.92kHZ 3 2R1C1 2 × 10 × 10 ? × 1000 × 10 ?12 F 图 3-1 一阶有源低通滤波器 在交流分析对话框中，合理设置参数，启动仿真后，一阶有源低通滤波电路 的幅频响应如图 3-2 所示。由幅频特性指针读取该低通滤波器的截止频率，与理 论计算基本相符。 图 3-2 一阶有源低通滤波器的幅频响应 7 通滤波器，电路的截止频率： 1 1 =

11、 = 498 Hz 3 2RC 2 × 6.8 × 10 ? × 47 × 10 ?9 F C = C1 = C 2 R = R1 = R2 fn = 图 3-3 二阶有源低通滤波器 在交流分析对话框中，合理设置参数，启动仿真后，二阶有源低通滤波电路 的幅频响应如图 3-4 所示。由幅频特性指针读取该低通滤波器的截止频率，与理 论计算基本相符。 图 3-4 二阶有源低通滤波器的幅频响应 3.2 高通滤波器dB10oct，所以这种电路只适用于 对滤波特性要求不高的场合。图 3-5 为一阶有源高通滤波器，电路的截止频率： 8 fn = 1 1 = = 7.9

12、6kHz 3 2RC 2 × 20 × 10 ? × 1 × 10 ?9 F 图 3-5 一阶有源高通滤波器 在交流分析对话框中，合理设置参数，启动仿真后，一阶有源高通滤波电路 的幅频响应如图 3-6 所示。由幅频特性指针读取该滤波器的截止频率，与理论计 算基本相符。 图 3-6 一阶有源高通滤波器的幅频响应 fn = 1 = 1kHz (C = C1 = C 2 ，R = R1 = R2 ) 2RC 9 图 3-7 二阶有源高通滤波器 在交流分析对话框中，合理设置参数，启动仿真后，二阶有源高通滤波电路 的幅频响应如图 3-8 所示。由幅频特性指针读取该

13、滤波器的截止频率，与理论计 算基本相符。 图 3-8 二阶有源高通滤波器的幅频响应 3.3 窄带带通滤波器 窄带带通滤波器的上限截止频率与下限截止频率的比近似为 2 或者更小， 因 此不能被分为单独的低通和高通滤波器来实现。 当上限截止频率与下限截止频率 的比减小时，中心频率处的衰减将增加；当上限截止频率与下限截止频率的比接 近于 1 时，滤波器有更大的抑制作用。图 3-9 为窄带带通滤波器电路，该电路的 中心频率： 1 1 1 1 = = 1.067 kHz ?6 3 2c R f Rr 2 × 0.015 × 10 42.42 × 10 × 3.03

14、 × 10 3 w 2 2 -3dB 带宽为： BW = 0 = = = 3.143kHz Q R f C 42.42 × 0.015 × 10 ?3 f0 10 图 3-9 窄带带通滤波器（R=2R） 在交流分析对话框中，合理设置参数，启动仿真后，窄带带通滤波电路的幅 频响应如图 3-10 所示。由幅频特性指针读取该滤波器的中心频率，与理论计算 基本相符。 图 3-10 窄带带通滤波器的幅频响应 3.4 带阻滤波器 将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，再将两个电路的输 出电压求和，就可以得到带阻滤波器。其中低通滤波器的截止频率 应小于 高通滤波器的截止频

15、率。带阻滤波器是指能通过大多数频率分量、但将某 些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带通滤波器的概念相对。 其中点阻滤波器是一种特殊的带阻滤波器，它的阻带范围极小，有着很高 的 Q 值。带阻滤波器电路如图 3-11 所示。 11 图 4-11 带阻滤波器 利用波特图仪显示该电路的幅频响应如图 3-12，从中可以读出该电路的中 心频率约为 40Hz。 图 3-12 带阻滤波器的幅频响应 3.5 利用 Multisim 7 中的 Filter Wizard 设计滤波器 Multisim 7 仿真软件提供 Filter Wizard 使得滤波器的设计变得十分简单、 快捷。在这一环节中，我的设计

16、步骤：第一，调用 Filter Wizard；第二，滤波 器参数的设置；第三，滤波器的生成；第四，交流分析。 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。 12“calculation was successfully

17、completed”字样。 图 3-13 切比雪夫无源低通滤波器的设置 单击 Build Circuit 按钮所生成的电路如图 3-14 所示。 图 3-14 切比雪夫无源低通滤波器 13 对 Filter Wizard 产生的切比雪夫无源低通滤波器电路进行交流分析，电路 的幅频响应如图 3-15 所示。可见，应用 Filter Wizard 设计的电路是一个低通 滤波器。 图 3-15 切比雪夫无源低通滤波器的幅频响应 图 3-16 巴特沃斯有源高通滤波器的设置 14 单击 Build Circuit 按钮所生成的电路如图 3-17 所示。 图 3-17 巴特沃斯有源高通滤波器 对电路进行交

18、流分析，幅频响应如图 3-18 所示。从图中可知，通带的起始 频率为 1.5647kHz。可见，Filter Wizard 设计的巴特沃斯有源高通滤波器基本 符合要求。 图 3-18 巴特沃斯有源高通滤波器的幅频响应 15 截止频率为 2kHz，高端通带起始频率为 3kHz，通带最大衰减为-1dB，阻带最小 衰减为-25dB 的巴特沃斯无源带阻滤波器。 在 Filter Wizard 对话框中，设置滤波器的参数如图 3-19 所示。 图 3-20 巴特沃斯无源带阻滤波器的设置 Multisim 7 生成的滤波器电路如图 3-20 所示。 图 3-20 巴特沃斯无源带阻滤波器 对图 3-20 所

19、示电路进行交流分析，电路的频率响应如图 3-21 所示。从图 16 3-21 中可知，低端通带截止频率为 1.08kHz，低端阻带起始频率为 1.2kHz；高 端阻带截止频率为 2.3kHz,高端通带起始频率为 3.06kHz。可见，Filter Wizard 设计的无源带阻滤波器基本符合要求。 图 3-21 巴特沃斯无源带阻滤波器的幅频响应 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

20、说非常重要。 4 Multisim 7 软件 4.1 Multisim 7 软件概述 Multisim 是 Interactive Image Technologies (Electronics Workbench) 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 富的仿真分析能力。 Multisim 7 为模拟、数字以及模拟/数字混合电路提供了快速并且精确的仿 真；除了提供虚拟仪表，为了更好地掌握电路的性能，还提供了直流工作分析、 交流分析、敏感度分析等 19 种分析。利用 Multis

21、im 7 仿真软件中的交流分析， 可以方便地求得滤波器的频率响应曲线，根据频率响应曲线，调整和确定滤波器 电路的元件参数，很容易获得所需的滤波特性，同时省去繁琐的计算，充分体现 计算机仿真技术的优越性。 软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般 Windows 应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。 17 Multisim 为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户 能够自己添加所需要的元器件。Multisim 以库的形式管理元器件，通过菜单 Tools/ Database Management 打开 Database Management（数据库管理）窗口， 对元器件库进行管理。据此用户可以通过选择 User 数据库，进而对自建元器件 进行编辑管理。 在 Multisim Master 中有实际元器件和虚拟元器件， 它们之间根本差别在于： 一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用 此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计 导出到 Ultiboard 中进行 PCB 的设计。 另一种器件的参数值是该类器件的典型