基于multisim的有源滤波电路的设计-学位论文

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)外文摘要Active filter circuit based on MultisimAbstract: Filter is to filter out frequency components do not need and to retain a useful frequency components 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 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. keywords: Active Filter Multisim7 frequency response 目录1 引言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优化设计满足设计结果完成否 图3-1 电路模拟过程（1）新建设计项目打开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。3.1.1 一阶有源低通滤波器一阶低通滤波电路由简单RC网络和运放构成，该电路具有滤波功能还有放大作用，带负载能力较强。如图3-1所示为一阶有源低通滤波器，电路的截止频率：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3.1.2 二阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波电路简单，幅频特性衰减斜率只有-20dB十倍频程，因此，在fo处附近选择性差，希望衰减斜率越陡越好，只有增加滤波器的阶数来实现。阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器。如图3-3所示为二阶有源低通滤波器，电路的截止频率：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3.2.1 一阶有源高通滤波器将低通滤波器中元件R、C的位置互换后，电路变为高通滤波器。一阶高通滤波器的缺点是：阻带特性衰减太慢，为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：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3.2.2 二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器的阻带衰减特性的斜率为40dB10oct，克服了一阶高通滤波器阻带衰减太慢的缺点。与二阶低通滤波器类似，二阶高通滤波器的各个参数也影响其滤波特性，如：阻尼系数f的大小决定了幅频特性有无峰值，或谐振峰的高低。如图3-7所示为二阶有源高通滤波器，电路的截止频率：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：-3dB带宽为：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。 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。3.5.1 切比雪夫无源低通滤波器设计一个通带截止频率为3.4kHz，阻带起始频率为4kHz，通带最大衰减为-1dB，阻带最小衰减为-25dB的切比雪夫无源低通滤波器。在Filter Wizard对话框中，设置滤波器的参数如图3-13所示。单击Verify按钮，对话框显示“calculation was successfully 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在一些应用当中，最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。如果你可以接受通带具有一些纹波，就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。3.5.2 巴特沃斯有源高通滤波器设计一个阻带截止频率为1kHz，通带起始频率为1.5kHz，通带最大衰减为-1dB，阻带最小衰减为-25dB的巴特沃斯有源高通滤波器。在Filter Wizard对话框中，设置滤波器的参数如图3-16所示。图3-16巴特沃斯有源高通滤波器的设置单击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3.5.3 巴特沃斯无源带阻滤波器设计一个低端通带截止频率为1kHz，低端阻带起始频率为1.5kHz;高端阻带截止频率为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所示电路进行交流分析，电路的频率响应如图3-21所示。从图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Multisim 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。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值，不与实际器件对应，用户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟器件的按钮有底色，而实际器件没有。结论在毕业设计即将完成的时候，我发现我不止完成了一份设计，我学会了如何发现问题，如何思考问题，如何解决问题。从开题报告，设计方案，设计过程以及报告书写等方面，老师的旁敲侧击给了我莫大的帮助，让我的设计得以顺利地完成。在完成有源滤波器这个课题后，我对滤波器的实际应用更加了解了。怀着由简到难易得心里，我勤勤恳恳地学习。基于简单的滤波器的设计，我设计了巴特沃斯有源高通滤波器。“巴特沃斯响应”带通滤波器具有平坦的响应特性，而“切比雪夫响应”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，“切比雪夫响应”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“切比雪夫响应”滤波器。学而后知不足，本文我利用仿真完成了有源滤波器的设计，从仿真的角度研究和学习了这门课程，受益匪浅。致谢在整个做毕业设计的过程中，我一次次打电话麻烦了张老师，又一次次上实训楼占用了张老师的课余时间，谢谢他不厌其烦地给了我指导，谢谢他从细微处给了我方向；在寻找资料的同时也遇到些许不尽人意，我谢谢图书馆的阿姨以及同学帮我找书；在书写设计的时候，word编辑也让我愣住了几回，谢谢我的同学伸出他们的援助之手在此以我诚挚的心向你们致谢！参考文献1 熊伟.Multisim 7电路设计及仿真应用.北京：清华大学出版社，20052 J.R.约翰逊.有源滤波器精确设计手册.美国：电子工业图书出版社，19843 李远文.有源滤波器设计.中国：人民邮电出版社，19864 谭会生.电工电子实验.广州：华南理工出版社，200118