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1、基于 Multisim的低通滤波器设计引言Multisim 就是加拿大 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、仿真分析与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,元器件与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
2、,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、失真分析与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 dB 10 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。采取的改进措施就是在一阶的基础上再增加一节RC 网
3、络。电路结构如图1 所示,此电路上半部分就是一个同相比例放大电路 ,由两个电阻 R1,Rf 与一个理想运算放大器构成。R1 与Rf 均为 16 k 。下半部分就是一个二阶RC 滤波电路 ,由两个电精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - - 基于 Multisim的低通滤波器设计阻 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
4、 ,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fP 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - - 基于 Multisim的低通滤波器设计4 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
5、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 ms div。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 还可以瞧出 ,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
6、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。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - - 基于 Multisim的低通滤波器设计调节输入频率 ,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 m
7、V 。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 ,也不能直观瞧出输入信号的频率对电路放大性能的影响,于就是用 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 M
8、Hz,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 的测量精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - - 基于 Multisim的低通滤波器设计从特性曲线可以瞧出,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
9、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 Mul
10、tisim 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)。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢
11、迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - - 基于 Multisim的低通滤波器设计图 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与 Rf 对电路性能的影响如下 :C2,R2 与 R3 的变小均会引起电路的截止频率增大与通频带变宽。而C
12、2,R2 与 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 与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 既就是一个专门用于电子电路设计与仿真的软件 ,又就是一个非常优秀的电子技术教学工具。Multisim 应用于课堂教学 ,丰富了电子技术多媒体辅助教学的内容,就是教育技术发展的一个飞跃。Multisim 以其具有的开发性、灵活性、丰富性、生动性、实时交互性与高效性等功能特征,极大地丰富了电子电路的教学方法,拓展了教学内容的广度与深度,为提高电子技术教学质量提供了又一个有效手段。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - - -