基于Multisim的多功能濾波器電路的仿真 畢業(yè)設(shè)計

1、基于Multisim的模擬電路仿真摘要 濾波電路是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置，有著很重要的作用，常用來進行信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。本次設(shè)計仿真在模擬電路的基礎(chǔ)上對各種功能的濾波器以及多功能有源濾波電路的功能原理、設(shè)計參數(shù)、電路的組建、模擬仿真進行研究分析，給出濾波器的低通、高通、帶通、帶阻參數(shù)仿真設(shè)計方法，以此來進行濾波電路的設(shè)計。采用具有先進功能的仿真軟件Multisim對各種功能的濾波器電路進行仿真，為獲得該類電路設(shè)計參數(shù)提供了EDA手段和實驗依據(jù)。關(guān)鍵詞 濾波器電路 Multisim 模擬電路 仿真 Analog circuit simulation

2、 based on MultisimAbstract The filter circuit is a way for the useful frequency signal through while at the same time suppress the unwanted frequency signals in electronic devices, It has a very important role, often used to signal processing, data transfer and interference suppression. The design a

3、nd simulation filter and multifunction active filter circuit of the various functions of analog circuits based on functional principles, the design parameters of the circuit set up, simulation analysis, given the low-pass filter, high pass, band pass, band stop parameter simulation design method, in

4、 order to carry out the design of the filter circuit. Simulation software with advanced features of Multisim simulation, EDA tools and experimental basis for the class circuit design parameters of the filter circuit of the various functions.Keywords Filter circuit; Multisim; Analog circuit; Simulati

5、on目錄引言1第一章 緒 論21.1選題意義21.2 研究現(xiàn)狀21.3 Multisim簡介31.3.1 Multisim的主窗口31.3.2 Multisim菜單欄41.3.3 Multisim 工具欄61.3.4 Multisim的元器件庫61.3.5 Multisim儀器儀表庫61.4 論文主要工作71.5 設(shè)計任務(wù)及要求7第二章 具有基本功能的濾波器的種類與仿真設(shè)計82.1低通濾波電路82.1.1電路設(shè)計分析92.1.2元器件選取及電路組成92.1.3仿真分析112.1.4仿真分析總結(jié)122.2 高通濾波電路122.2.1電路設(shè)計分析122.2.2元器件選取及電路組成142.2.3二階

6、高通濾波器仿真152.3 帶通濾波電路192.3.1 電路工作原理192.3.2帶通濾波電路仿真202.4 帶阻濾波電路222.4.1 帶阻濾波電路特性222.4.2帶阻濾波電路仿真232.4.3 仿真分析242.5多功能濾波器252.5.1設(shè)計目的及要求252.5.2參數(shù)的確定252.5.3電路圖的設(shè)計282.5.4仿真分析28結(jié)論32致謝語33參考文獻343引言為了更好的總結(jié)大學(xué)四年學(xué)習(xí)研究與實踐的成果，加深對電子電路知識的理解與掌握。通過模擬電路仿真這個課題來實踐制作一個多功能濾波器。實踐仿真過程中要合理的利用集成電子器件等基于模擬電路的知識來進行實踐與仿真。本畢業(yè)設(shè)計使用四個運算放大器

7、分別實現(xiàn)低通、帶通、帶阻、高通濾波電路，實現(xiàn)多功能濾波電路的設(shè)計與仿真。濾波器是一種能夠有效抑制無用頻率信號而可以使有用頻率信號通過的一種電子電路裝備。在工程上常用它進行信號處理、數(shù)據(jù)傳送或抑制干擾等。是一種有著廣泛用途的重要器件。以往的濾波器通常采用元件電阻R、電感L和電容C組成，此種濾波器通常稱為無源濾波器。而目前則一般采用集成運放、電阻R、電容C組成的濾波器，常稱為有源濾波器。由RC元件與運算放大器組成的RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍的信號通過，抑制或急劇衰減此范圍以外的信號。可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳送、抑制干擾等方面，但因受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對頻

8、率范圍的選擇不同，可分為低通（LPF）、高通（HPF）、帶通（BPF）與帶阻（BEF）等四種濾波器。本畢業(yè)設(shè)計通過先進的仿真軟件Multisim對濾波器電路進行設(shè)計與仿真。設(shè)定參數(shù)進行仿真研究與分析仿真結(jié)果，從而得出重要的結(jié)論。第一章 緒 論濾波電路是一種能使目標信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置。這里主要討論的是模擬濾波器。以往這種濾波器主要采用無源元件R、L和C組成，20世紀60年代以來，集成運放獲得了迅速發(fā)展，由它和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。此外，由于集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩

9、沖作用。但是，集成運放的帶寬有限，所以目前有源濾波電路的工作頻率難以做得很高，以及難以對功率信號進行濾波，這是它的不足之處。1.1 選題意義Multisim是一種功能非常強大的電子電路仿真軟件，該軟件可以對電路直流工作點分析，交流特性分析、傅里葉分析、暫態(tài)分析、失真度分析、噪聲分析、直流掃描、參數(shù)掃描、靈敏度分析、溫度掃描、傳輸函數(shù)分析、零，極點分析、最壞情況分析；既可以對模擬、數(shù)字、模擬/數(shù)字混合電路、射頻電路進行仿真；又能對部分微機接口電路進行仿真，克服了實驗室條件下對傳統(tǒng)電子設(shè)計工作的限制。為用戶提供了一個良好的集成化的虛擬設(shè)計實驗環(huán)境，從建立電路到仿真分析和結(jié)果輸出在集成界面都可以完成

10、，仿真的手段完全切合實際，選用的元器件和測量儀器與實際情況十分接近；并且界面可視、直觀。繪制電路圖所需的元器件、儀器、儀表以圖標形式出現(xiàn)，選取十分方便，還可以自己擴充元件庫。對電路中元器件設(shè)置故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，針對不同故障觀察電路的各種狀態(tài)進行仿真，從而加深對電路原理的理解。利用Multisim軟件設(shè)計可以使設(shè)計與實驗同步，一邊設(shè)計一邊實驗，修改調(diào)試方便；仿真實驗中又不消耗實際的元器件和測試儀器，實驗成本低廉，實驗速度快速；仿真實驗成功的電路又可以直接在產(chǎn)品中使用，縮短了開發(fā)應(yīng)用的周期。結(jié)合Multisim軟件能達到搭建電路，仿真分析。達到事半功倍的效果。1.2 研究現(xiàn)狀隨

11、著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品已與計算機技術(shù)密不可分，緊緊相連；隨著電子產(chǎn)品日益智能化，電路得集成度的越來越高，使新技術(shù)新產(chǎn)品的更新周期越來越短。應(yīng)運而生電子設(shè)計自動化技術(shù)（EDA），從而使電路研發(fā)人員能用計算機來完成電路功能設(shè)計、邏輯分析、性能分析、時序測試直至電路板的計算機自動化設(shè)計應(yīng)運而生。EDA是“electronic design automation”的縮寫，譯成中文名為電子設(shè)計自動化。它是在20世紀90年代初從計算機輔助設(shè)計英文縮寫為（CAD）、計算機輔助制造英文縮寫為（CAM）、計算機輔助測試英文縮寫為（CAT）和計算機輔助工程英文縮寫為（CAE）的概念發(fā)展而產(chǎn)生的。E

12、DA技術(shù)就是主要依賴計算機作為硬件平臺，以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷凹呻娐纷鳛樵O(shè)計載體，設(shè)計者在EDA軟件平臺上，使用以描述硬件電路的功能，信號連接關(guān)系及定時關(guān)系的語言即硬件描述語言來完成文件設(shè)計，然后經(jīng)由計算機自動地完成邏輯編輯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、優(yōu)化、布局布線、以及邏輯優(yōu)化和仿真測試等，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等等工作，從而形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒囊婚T獨特技術(shù)。自從EDA技術(shù)的出現(xiàn)，它完全適用了現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計要求，并形成了吸收多學(xué)科新成果而形成的一門專用技術(shù)。它促進現(xiàn)代電子產(chǎn)品以前所未有的發(fā)展速度，向著功能多樣化、體積最小化、功耗最低化的方向

13、發(fā)展。EDA的現(xiàn)狀和發(fā)展EDA技術(shù)所涉及的內(nèi)容較多，也比較廣泛，但可大體分為以下四個方面的內(nèi)容：第一方面是大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷坏诙矫媸怯布枋稣Z言；第三方面是軟件開發(fā)工具；第四方面是實驗開發(fā)系統(tǒng)?，F(xiàn)在EDA的應(yīng)用范圍十分廣泛，涉及機械、航空航天、通訊、電子、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等等各個領(lǐng)域。但本文主要針對模擬電路的設(shè)計與仿真進行研究。1.3 Multisim簡介從開始的加拿大EWB到EWB4.0、EWB5.0、EWB6.0、Multisim2001、Multisim7、Multisim8、Multisim9、Multisim10。該軟件通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境，能比較輕松的設(shè)計電路

14、，也能通過交互方式SPICE仿真，迅速知道電路行為，也可以借助高級電路分析，理解基本設(shè)計特點，同時通過一個工具鏈，無縫的進行集成電路設(shè)計和虛擬測試，通過改進。整合設(shè)計流程，減少建模錯誤并縮短上市的時間。NI Multisim軟件很好地結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(shè)計與仿真。憑借NI Multisim可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路原理圖，然后利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路進行行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，可以在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進行迅速的驗證，從而縮短建模周期。Multisim推出了很多版本，用戶可以根據(jù)自己的需要加以選擇。1.

15、3.1 Multisim的主窗口安裝Multisim軟件后，單擊“開始”“程序”“National Instruments”“Circuit Design Suit 10.0” “Multisim”選項，啟動Multisim10，可以看到圖1.1所示的Multisim10主窗口。 圖1.1 Multisim 10的主窗口 Fig1.1 The main window of Multisim 10從圖1.1可以看出，Multisim10的主窗口如同一個實際的電子實驗臺。屏幕中央?yún)^(qū)域最大的窗口就是電路工作區(qū)，在電路工作區(qū)上可將各種電子元器件和測試儀器儀表連接成實驗電路。電路工作窗口上方是菜單欄、工

16、具欄。從菜單欄可以選擇電路連接、實驗所需的各種命令。工具欄包含常用的操作命令按鈕。通過鼠標操作即可方便地使用各種命令和實驗設(shè)備。電路工作窗口兩邊是元器件欄和儀器儀表欄。元器件欄存放各種電子元器件，儀器儀表欄存放各種測試儀器儀表，用鼠標操作可以很方便地從元器件和儀器庫中提取實驗所需的各種元器件及儀器儀表到電路工作窗口并連接成實驗電路。單擊電路工作窗口上方的“啟動/停止”開關(guān)或“暫停/恢復(fù)”按鈕，可以方便地控制實驗的進程。1.3.2 Multisim菜單欄Multisim10有12個主菜單，如圖1.2所示圖1.2 Multisim 10的主菜單Fig1.2 main menus of Multis

17、im 10現(xiàn)介紹幾個比較常用的菜單及其功能1. File（文件）菜單File（文件）菜單提供19個文件操作命令New：建立一個新文件。Open：打開一個己存在的*msm10、*msm9、*msm8、*msm7、*ewb或*utsch等格式的文件。Close：關(guān)閉當前電路工作區(qū)內(nèi)的文件。Close All：關(guān)閉電路工作區(qū)內(nèi)的所有文件。Save：將電路工作區(qū)內(nèi)的文件以 *msm10的格式存盤。Save as：將電路工作區(qū)內(nèi)的文件另存為一個文件，仍為 *msm10格式。Save All：將電路工作區(qū)內(nèi)所有的文件以 *msm10的格式存盤。 New Project：建立新的項目（僅在專業(yè)版中出現(xiàn)，教育

18、版中無此功能）。Open Project：打開原有的項目。Save Project：保存當前的項目。Close Project：關(guān)閉當前的項目。 Exit：退出。等等2. Edit（編輯）菜單Edit（編輯）菜單在電路繪制過程中，提供對電路和元件進行剪切、粘貼、旋轉(zhuǎn)等操作命令，共21個命令。Undo：取消前一次操作。Redo：恢復(fù)前一次操作。Cut：剪切所選擇的元器件，放在剪貼板中。Copy：將所選擇的元器件復(fù)制到剪貼板中。Paste：將剪貼板中的元器件粘貼到指定的位置。Delete：刪除所選擇的元器件。Select All：選擇電路中所有的元器件、導(dǎo)線和儀器儀表。等功能。3.Simulate

19、（仿真）菜單Simulate（仿真）菜單提供18個電路仿真設(shè)置與操作命令， Simulate菜單中的命令及功能如下：Run：開始仿真。Pause：暫停仿真。Stop：停止仿真。Instruments：選擇儀器儀表。Interactive Simulation Settings.：交互式仿真設(shè)置。Digital Simulation Settings.：數(shù)字仿真設(shè)置。等等。1.3.3 Multisim 工具欄multisim常用工具欄如圖1.3所示，工具欄各圖標名稱及功能說明如下圖： 圖1.3 Multisim 工具欄 Fig 1.3 Multisim Toolbox新建：清除電路工作區(qū)，準備生

20、成新電路。 打開：打開電路文件。 存盤：保存電路文件。 打?。捍蛴‰娐肺募?。 剪切：剪切至剪貼板。復(fù)制：復(fù)制至剪貼板。 粘貼:從剪貼板粘貼。旋轉(zhuǎn): 旋轉(zhuǎn)元器件。全屏：電路工作區(qū)全屏。 放大：將電路圖放大一定比例。 縮?。簩㈦娐穲D縮小一定比例。等功能的快捷方式。1.3.4 Multisim的元器件庫multisim10提供了豐富的元器件庫，元器件庫欄圖標和名稱如下圖1.4所示。 圖1.4 Multisim的元器件庫 Fig 1.4 Multisim Components library用鼠標左鍵單擊元器件庫欄的某一個圖標即可打開該元件庫。從左向右依次為電源/信號源庫、基本器件庫、二極管庫、晶體管

21、庫、模擬集成電路庫、TTL數(shù)字集成電路庫、CMOS數(shù)字集成電路庫、數(shù)字器件庫、數(shù)?；旌霞呻娐穾?、指示器件庫、電源器件庫、其他器件庫等。1.3.5 Multisim儀器儀表庫儀器儀表庫的圖標及功能如圖1.5所示。 圖1.5 Multisim儀器儀表庫 Fig 1.5 Multisim Instrumentation library1.4 論文主要工作1.緒論部分主要論述了選題意義、研究現(xiàn)狀、進行了Multisim軟件的簡單介紹，主要說明軟件特點。軟件功能及論文的主要工作。2.基本的低通、高通、帶通、帶阻濾波器仿真單元電路3.多功能濾波器電路的設(shè)計與仿真4.得出軟件在研究中的作用5.學(xué)習(xí)多功能濾

22、波器的設(shè)計方法6.由濾波器設(shè)計指標計算電路元件參數(shù)7.掌握有源濾波器的仿真測試方法1.5 設(shè)計任務(wù)及要求根據(jù)要求完成具有高通、低通、帶通、帶阻功能的濾波器電路的仿真設(shè)計，配置與調(diào)試。1. 截止頻率可調(diào)2. 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。3. 利用Multisim仿真設(shè)計電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路的工作原理并仿真實現(xiàn)其系統(tǒng)功能。4. 調(diào)試得出結(jié)論并按要求格式完成畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)論文。第二章 具有基本功能的濾波器的種類與仿真設(shè)計對于幅頻響應(yīng)，通常把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，而把受阻或衰減的信號頻率范圍稱為阻帶，通帶和阻帶的界限頻率叫做截止頻率。（a）低通濾波器（b）高通濾

23、波器（c）帶通濾波器（d）帶阻濾波器理想濾波電路在通帶內(nèi)應(yīng)具有零衰減的幅頻響應(yīng)和線性的相位響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)幅度衰減到零。按照通帶和阻帶的相互位置不同，濾波電路通?？煞譃橐韵聨最悾旱屯V波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等濾波電路。其理想的的幅頻特性如圖2.1所示20lg|Au|20lg|Au|20lg|Au|20lg|Au|f2f1f2f1f0f0通阻通阻通阻通阻阻通圖2.1 濾波器的理想幅頻特性Figure 2.1 filter ideal amplitude-frequency characteristic我們把通帶與阻帶的分界點的頻率稱為截止頻率或轉(zhuǎn)折頻率。上圖中f0、f1、f2均

24、為截止頻率，其中f1、f2分別稱為上限和下限截止頻率；Au為通帶的電壓放大倍數(shù)。 2.1 低通濾波電路一階有源低通濾波器電路簡單，幅頻特性衰減斜率只有-20dB/10oct（十倍頻程），因此在f0處附近選擇性差，希望衰減斜率越陡越好，只有增加濾波器的階數(shù)來實現(xiàn)。2.1.1 電路設(shè)計分析二階有源低通濾波器電路原理圖如圖2.2所示RFUi+RCCR R1 Uo圖2.2二階有源低通濾波器電路原理圖Fig 2.2 Second-order active low-pass filter circuit schematic通過分析發(fā)現(xiàn)，二階有源低通濾波器電路的輸入、輸出信號關(guān)系為式中:傳遞函數(shù)中出現(xiàn)w的二

25、次項，故稱為二階濾波器。階數(shù)越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器。2.1.2元器件選取及電路組成（1）元器件選取 仿真電路所用元器件及選取途徑如下。1. 電源VCC和VEE：Place SourcePOWER_SOURCESVCC/VEE.2. 接地：Place SourcePOWER_SOURCESGROUND,選取電路中的接地。3. 信號源：Place SourceSIGNAL_VOLTAGE_SOAC_VOLTAGE.4. 電阻：Place BasicRESISTOR,選取47.5k、27.4k、10k。5. 電容：Place BasicCAPACITOR，選取47nF。6. 運算放大器（

26、3554BM）：Place AnalogOPAMP3554BM。7. 虛擬儀器：從虛擬儀器欄調(diào)去波特圖儀。（2）電路組成將選擇好的運算放大器3554BM、直流電源、信號源、電阻、電容、波特圖儀等放置在仿真軟件工作窗口合適的位置，創(chuàng)建二階有源低通濾波器仿真電路，如圖2.3所示圖2.3二階有源低通濾波器仿真電路 Fig 2.3 Second-order active low-pass filter simulation circuit2.1.3仿真分析（1）二階有源低通濾波器的幅頻特性及仿真電路啟動仿真，單擊波特圖儀，可以看見二階有源低通濾波器的幅頻特性曲線，如圖2.4所示 圖2.4二階有源低通濾

27、波器的幅頻特性曲線Fig 2.4the amplitude - frequency characteristic curve of second-order active low-pass filter（2）二階有源低通濾波器的AC Analysis利用AC Analysis（交流分析）功能可以分析二階有源低通濾波器電路的頻率特性。分析步鄹如下1) 單擊OptionsSheet Proterties命令，再打開的對話框的Circuit選項卡中選中Show All選項2) 單擊SimulateAnalysisAC Analysis菜單命令，將彈出AC Analysis對話框，進入交流分析狀態(tài)。3

28、) 選擇設(shè)置合適的參數(shù)進行仿真。4) 單擊Simulate按鈕即可進行仿真分析，仿真分析結(jié)果如下圖2.5所示。 圖2.5 二階有源低通濾波器電路的頻率特性 Fig 2.5 frequency characteristics of the second-order active low-pass filter circuit2.1.4仿真分析總結(jié)利用具有先進功能的Multisim仿真軟件分析二階有源低通濾波電路。先對濾波電路進行對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，構(gòu)建電路原理圖。再在仿真軟件界面構(gòu)建電路仿真圖。利用波特圖儀及AC Analysis可以分析二階有源低通濾波電路的頻率特性、幅頻特性及相頻特性?？梢缘弥獮V

29、波電路的截止頻率。與理論得出的截止頻率相比較，兩者相符合。得證!應(yīng)用仿真軟件Multisim進行電路的仿真設(shè)計節(jié)省了大量的工作時間，可以直接方便的驗證電路方案是否正確。仿真正確后可以直接制版做電路，很好的控制了成本。2.2 高通濾波電路2.2.1電路設(shè)計分析高通濾波器與低通濾波器作用正好相反，它允許高于截止頻率的信號通過。二階高通濾波器如下圖2.6所示：圖2.6二階高通濾波器電路原理圖 Fig 2.6 Second-order high-pass filter circuit schematic由圖可見，它是有兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。二階有源高通

30、濾波器(1) 通帶增益Avp(2) 傳遞函數(shù)Av（s）(3) 頻率響應(yīng)Av由以上公式可以得出其幅頻特性曲線如下圖2.7所示圖2.7二階有源高通濾波器幅頻特性曲線圖 Fig 2.7 amplitude-frequency characteristic curve of second-order active high-pass filter2.2.2元器件選取及電路組成（1）元器件選取 仿真電路所用元器件及選取途徑如下。1接地：Place SourcePOWER_SOURCESGROUND,選取電路中的接地。2信號源：Place SourceSIGNAL_VOLTAGE_SOAC_VOLTAGE

31、.3電阻：Place BasicRESISTOR,選取20k、10k。4電容：Place BasicCAPACITOR，選取10nF。5運算放大器（OPAMP_3T_VIRTUAL）：Place AnalogOPAMPOPAMP_3T_VIRTUAL。6虛擬儀器：從虛擬儀器欄調(diào)去波特圖儀XBP1。 （2）電路組成將選擇好的運算放大器OPAMP_3T_VIRTUAL、交流電源、信號源、電阻、電容、波特圖儀等放置在仿真軟件工作窗口合適的位置，創(chuàng)建二階有源高通濾波器仿真電路，如圖2.8所示圖2.8二階高通濾波電路 Fig 2.8 Second-order high-pass filter circu

32、it2.2.二階高通濾波器仿真單擊Multisim仿真按鈕，打開波特儀操作面板得到二階高通濾波器的幅頻特性如下圖2.9 圖2.9二階高通濾波器的幅頻特性 Fig 2.9Amplitude-frequency characteristic of the second-order high-pass filter二階有源高通濾波器的AC Analysis利用AC Analysis（交流分析）功能可以分析二階有源高通濾波器電路的頻率特性。分析步鄹如下1單擊OptionsSheet Proterties命令，再打開的對話框的Circuit選項卡中選中Show All選項2單擊SimulateAnaly

33、sisAC Analysis菜單命令，將彈出AC Analysis對話框，進入交流分析狀態(tài)。3選擇設(shè)置合適的參數(shù)進行仿真。如下圖2.10所示 圖2.10 參數(shù)設(shè)置 Fig 2.10 Parameter settings4單擊Simulate按鈕即可進行仿真分析，仿真分析結(jié)果如圖2.11所示。 圖2.11二階有源高通濾波器AC Analysis仿真分析結(jié)果 Fig 2.11 Second-order active high-pass filter the AC Analysis simulation analysis results 在仿真軟件右側(cè)儀器儀表欄調(diào)取雙通道示波器xsc1，使A通道檢測

34、顯示信號源信號波形，使B通道監(jiān)測顯示通過了高通濾波電路之后的信號。在這里可以設(shè)置波形顯示顏色以示區(qū)別便于觀察。單擊A通道導(dǎo)線，按右鍵選擇Segment Color可以設(shè)置波形顏色。在這里把電路輸入前的信號波形設(shè)置為黑色。如下圖所示。當信號源的信號頻率處于截止頻率之下時，電路輸出波形為一條直線，即限制抑制了信號的通過。如下圖2.12中紅線所示，圖中黑色波形為信號源信號。 圖2.12 仿真演示圖 Fig 2.12 Simulation demo map當信號源的頻率為高頻信號時，可由上圖可知，紅色輸出波形通過了濾波電路。驗證說明了此高通濾波仿真電路具有抑制低頻信號是高頻信號通過的良好性能。2.3

35、帶通濾波電路2.3.1 電路工作原理工作原理：這種濾波器的作用是只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級改成高通而成如圖2.13（a）（a）電路原理圖 （b）幅頻特性 圖2.13 帶通濾波電路原理圖及幅頻特性 Fig 2.13 Band-pass filter circuit schematic and amplitude-frequency characteristics 電路性能參數(shù)通帶增益中心頻率f0通帶寬度：此電路的優(yōu)點是改變Rf 和R4 的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。2.3.

36、2帶通濾波電路仿真（1）元器件選取 仿真電路所用元器件及選取途徑如下。1接地：Place SourcePOWER_SOURCESGROUND,選取電路中的接地。2信號源：Place SourceSIGNAL_VOLTAGE_SOAC_VOLTAGE.3電阻：Place BasicRESISTOR,選取27.4k、10k、20k、47.5k。4電容：Place BasicCAPACITOR，選取10nf、47nf。5運算放大器（3554BM）：Place AnalogOPAMP3554BM。6虛擬儀器：從虛擬儀器欄調(diào)去波特圖儀XBP1、XSC1。 （2）電路組成將選擇好的運算放大器3554BM、

37、交流電源、信號源、電阻、電容、波特圖儀、示波器等放置在仿真軟件工作窗口合適的位置，創(chuàng)建二階有源帶通濾波器仿真電路，帶通濾波器電路仿真電路圖如圖2.14所示 圖2.14二階有源帶通濾波器電路 Fig 2.14 Second-order active band-pass filter circuit單擊Multisim仿真按鈕，打開波特儀操作面板得到二階帶通濾波器的幅頻特性如下圖2.15所示 圖2.15二階有源帶通濾波器幅頻特性 Fig 2.15 Second-order active bandpass filter amplitude-frequency characteristics圖2.16

38、二階有源帶通濾波器AC Analysis仿真分析結(jié)果 Fig 2.16 Second-order active bandpass filter AC Analysis simulation results2.4 帶阻濾波電路2.4.1 帶阻濾波電路特性電路的性能和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號不能通過（或受到很大衰減或抑制），而在其余頻率范圍，信號則能順利通過。在雙T 網(wǎng)絡(luò)后加一級同相比例運算電路就構(gòu)成了基本的二階有源BEF。圖2.17帶阻濾波器電路原理圖 Fig 2.17 Band-stop filter circuit schematic帶阻濾波器電路原理圖如圖2.17所示，由節(jié)點

39、導(dǎo)納方程可以導(dǎo)出電路的傳遞函數(shù)為或式中如果Auf=1，則Q=0.5，增加Auf，Q將隨之升高。當Auf趨2時，Q趨向無窮大。因此，Auf越接近2，|A|越大，可使帶阻濾波器的選頻特性越好。式子為帶阻濾波器傳遞函數(shù)的典型表達式。其中，Wn為中心角頻率，而Q則稱為等效品質(zhì)因數(shù)。2.4.2帶阻濾波電路仿真（1）元器件選取 仿真電路所用元器件及選取途徑如下。1接地：Place SourcePOWER_SOURCESGROUND,選取電路中的接地。2信號源：Place SourceSIGNAL_VOLTAGE_SOAC_VOLTAGE.3電阻：Place BasicRESISTOR,選取5.1k、10k

40、、210k、49.9k。4電容：Place BasicCAPACITOR，選取1nF。5運算放大器（3554BM）：Place AnalogOPAMP3554BM。6虛擬儀器：從虛擬儀器欄調(diào)去波特圖儀XBP1。 （2）電路組成將選擇好的運算放大器3554BM、交流電源、信號源、電阻、電容、波特圖儀等放置在仿真軟件工作窗口合適的位置，創(chuàng)建二階有源帶阻濾波器仿真電路，帶阻濾波器電路仿真電路圖如圖2.18所示 圖2.18二階有源帶阻濾波器仿真電路 Fig 2.18 Second-order active band-stop filter simulation circuit2.4.3 仿真分析單擊M

41、ultisim仿真按鈕，打開波特儀操作面板得到二階高通濾波器的幅頻特性如下圖2.19所示 圖2.19二階有源帶阻濾波器幅頻特性圖Fig 2.19 Second-order active band-stop filter amplitude-frequency characteristic對二階有源帶阻濾波器進行AC Analysis，可用2.2.3小節(jié)中二階有源高通濾波器的AC Analysis分析步驟進行適當?shù)牟僮?。分析可得到它的交流分析?shù)據(jù)如下圖2.20所示圖2.20帶阻濾波器電路AC Analysis分析Fig 2.20 Band-stop filter circuit the AC A

42、nalysis Analysis2.5多功能濾波器2.5.1設(shè)計目的及要求設(shè)計仿真一種可以低通、高通、帶通、帶阻的多功能濾波器電路。確定電路參數(shù)，選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計，利用Multisim構(gòu)造電路圖進行仿真分析，得出仿真結(jié)果結(jié)論。2.5.2參數(shù)的確定要實現(xiàn)多功能具有高通、低通、帶通、帶阻功能的濾波器電路，就需要有四個運算放大器，每個運算放大器的輸出端電壓為U01，U02,U03，U04，那么有計算參數(shù)如下：由以上各式可以得到A,B,C,D四個輸出端口的電壓增益分別為：，以下各式為電壓增益的復(fù)頻域表示。下圖為各電壓增益關(guān)于角頻率的函數(shù)圖像圖2.21 多功能濾波器各個端口電壓增益

43、與角頻率的函數(shù)關(guān)系Fig2.21 Voltage gain and o relationship of the various ports of multi-function filter function由圖2.21與圖2.22可以看出A端口輸出電壓在高頻輸入時正常輸出，低頻時信號被衰減，因此具有高通特性。B端口輸出電壓在低頻與高頻輸入時都被衰減，因此具有帶通特性。C端口輸出電壓在高頻輸入時被衰減，因此具有低通特性。D端口輸出電壓在中頻輸入時被衰減，因此具有帶阻特性。綜合以上分析，多功能濾波電路可以同時實現(xiàn)高通、帶通、低通、帶阻四種濾波特性。濾波電路的截止頻率為,以上的各個公式構(gòu)成了確定多功

44、能有源濾波器電阻，電容的原則。若改變?yōu)V波器的高低通截止頻率，可調(diào)節(jié)電路中電容值或電阻值。2.5.3電路圖的設(shè)計圖2.22多功能濾波器電路原理圖Fig 2.22Multifunction filter circuit schematic2.5.4仿真分析首先在軟件工作區(qū)繪制電路源理圖，并確定個電路元件的值，如圖所示。采用不同頻率的輸入信號，觀察，B,C,D四個輸出端口的輸出電壓波形。其中A為高頻輸出，B為帶通輸出，C為低通輸出，D為帶阻輸出。把兩個頻率不同的正弦信號通過電壓加法器A1疊加在一塊，用一個四通道示波器分別顯示高通、帶通、低通、帶阻濾波器的信號輸出。 圖2.23 多功能濾波器仿真電路圖

45、 Fig 2.23 Multifunction filter simulation circuit 如圖所示對仿真電路圖中的4、6、10、11節(jié)點進行AC Analysis分別得到多功能濾波器高通端、帶通端、帶阻端、低通端的幅頻特性如下圖所示 圖2.24 多功能濾波器高通端AC Analysis Fig 2.24 Multifunction filter high-pass side AC Analysis圖2.25 多功能濾波器帶通端AC AnalysisFig 2.25 Multifunction filter band-pass side AC Analysis 圖2.26 多功能濾波器帶阻端AC Analysis Fig 2.26 Multifunction filter band-stop side AC Analysis 圖2.27多功能濾波器低通端AC Analysis Fig 2.27 Multifunction filter low-pass side of the AC Analysis 由上