基于Multisim二阶RC有源滤波器的设计
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基于multisim的二阶滤波器仿真设计实验报
告
本报告主要就基于multisim的二阶滤波器的仿真设计进行介绍
和说明,目的是为了解决模拟信号中的信号干扰以及抑制或突出某些
频率分量的问题。
仿真设计是基于Multisim软件来实现的,Multisim是一款由National Instruments 公司开发的电子工程专业虚拟仿真软件,用于
模拟数字电子系统、模拟电子系统及系统仿真,主要有以下步骤:第一步,选择芯片,我们选择的芯片是OP-07,这款芯片是带有
两个引脚的运算放大器,并且可以构成有效带通滤波器场景;
第二步,接下来我们可以将这些芯片组合起来,来组成不同类型
的二阶滤波器;
第三步,最后通过计算来设计滤波器各个参数,比如滤波器阶跃
响应函数,模拟电路来进行计算,利用电路原理来实现参数的计算;
最后,在仿真的环节,我们可以通过Multisim来完成仿真,最
后输出仿真结果:仿真设计的滤波器响应以及滤波器的波形形状。
从以上实验可以得出的结论是,使用Multisim可以非常轻松的
设计模拟电路,设计二阶滤波器,并用它来仿真,了解滤波器的性能。
1 前言1.1 选题依据滤波器是一种能从杂质信号中过滤出有用信号的的电路。
按其电路中使用的是有源元件还是无源元件,滤波器分为无源和有源,有源滤波器的主要构造是RC网络、集成电路、运算放大电路。
通常它的体积很小,性能也很好,但是它的增益和输入阻抗很高,这是因为集成运放的输出阻抗很低造成的,所以有源滤波器还具有放大、缓冲的作用。
利用有源滤波器可以将有用信号从复杂信号中过滤出来,抑制噪声信号,从而使信噪比得到提高,因而有源滤波器广泛地应用在通信、控制、测量等技术领域中。
本次毕业设计,我是根据自己的兴趣爱好和所学过的专业知识来完成的。
1.2 有源滤波器的发展概况及现状有源滤波器伴随着集成运放的出现开始发展;在1970年后,人们开始重视有源滤波器的发展。
1974年,高频RC有源滤波器可以达到GB/4的工作频率。
有源C滤波器由电容和运算放大器构成,其性能仅取决于电容比。
从而解决电阻给集成带来的困难,最重要的是过滤精度都得到很大的提高。
1978年,滤波器受单片RC有源滤波器的影响,得到了快速地发展]1[。
去掉了电感器后,不仅使滤波器的体积变小了,而且也大大的提高了它的Q值。
如今虽然有源滤波器已经在很多方面都得到了广泛的应用,但是关于它的很多方面仍需要进一步的研究和改进,比如:单片集成有待改进;理想运放的实际特性要进一步接近理想值的研究;进一步应用线性变换方法的探索等。
故有源滤波器无论是在理论上,还是在实际应用中都需要进一步的研究和发展。
2 总方案设计2.1 RC有源滤波器的组成RC有源滤波器最基本的组成部分:1、RC网络:主要构造为电阻和电容,其作用就是在电路中进行滤波,将有用的信号过滤出来,选取波形。
2、放大器:电路中应用了同相输入运放,其特点是具有高输入阻抗,低输出阻抗,主要应用于前置放大级。
3、反馈网络:把经过放大器输出后的信号再次印象到放大器,并比较前后两次输入的信号,用经过比较后所得的有效输入信号去控制输出的过程叫反馈。
用Multisim分析二阶低通滤波器电路用Multisim分析二阶低通滤波器电路1 引言Multisim是加拿大Interactive Image T echnologies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、仿真分析和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,元器件和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,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、失真分析和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。
采取的改进措施是在一阶的基础上再增加一节RC网络。
电路结构如图1所示,此电路上半部分是一个同相比例放大电路,由两个电阻R1,Rf和一个理想运算放大器构成。
R1与Rf均为16 kΩ。
下半部分是一个二阶RC滤波电路,由两个电阻R2,R3及两个电容C1,C2构成。
其中R2,R3均为4 kΩ,C1,C2均为0.1μF。
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,用一个阻值为1 kΩ的电阻。
前言随着计算机技术的发展,模拟电子技术已经成为一门应用范围极广,具有较强实践性的技术基础课程。
电子电路分析与设计的方法也发生了重大的变革,为了培养学生的动手能力,更好的将理论与实践结合起来,以适应电子技术飞速的发展形势,我们必须通过对本次课程设计的理解,从而进一步提高我们的实际动手能力。
滤波器在日常生活中非常重要,运用非常广泛,在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域,经常需要用到各种各样的滤波器。
随着集成电路的迅速发展,用集成电路可很方便地构成各种滤波器。
用集成电路实现的滤波器与其他滤波器相比,其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标,都有了很大的提高。
滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
现在我们通过对滤波器器的原理以及结构设计一个能够低通、高通、带宽、阻带等多种形式的滤波器。
我们通过对电路的分析,参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。
在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。
按照设计的方案选择具体的元件,焊接出具体的实物,并在实验室对事物进行调试,观察效果是否与课题要求的性能指标作对比。
最后分析出现误差的原因以及影响因素。
设计任务书一、设计目的1、学习RC有源滤波器的设计方法;2、由滤波器设计指标计算电路元件参数;3、设计二阶RC有源滤波器(低通、高通、带通);4、掌握有源滤波器的测试方法;5、测量有源滤波器的幅频特性。
二、设计要求和技术指标1、技术指标(1) 低通滤波器:通带增益AUF=2;截止频率fH =2000Hz;Ui=100mV;阻带衰减:不小于-20dB/10倍频;(2) 高通滤波器:通带增益AUF=5;截止频率fL =100Hz;Ui=100mV;阻带衰减:不小于-20dB/10倍频;(3) 带通滤波器:通带增益AUF=2;中心频率:fO =1kHz;Ui=100mV;阻带衰减:不小于-20dB/10倍频。
2、设计要求(1)分别设计二阶RC低通、高通、带通滤波器电路,计算电路元件参数,拟定测试方案和步骤;(2)在面包板或万能板上安装好电路,测量并调整静态工作点;(3)测量技术指标参数;(4)测量有源滤波器的幅频特性并仿真;(5)写出设计报告。
二阶RC有源滤波器的设计二阶RC有源滤波器是一种常用的滤波器电路,它能够实现对输入信号的特定频率范围内的增益或衰减。
在设计二阶RC有源滤波器时,我们需要考虑各种因素,如滤波器类型、频率特性、增益、带宽等。
下面将详细介绍二阶RC有源滤波器的设计过程。
1.确定滤波器类型2.确定截止频率截止频率是指在该频率上信号的幅值相对于其他频率被衰减的程度。
我们需要确定滤波器的截止频率,以实现对所需频率范围内的增益或衰减。
截止频率可以根据具体应用的要求来确定。
3.选择滤波器的增益滤波器的增益与信号在截止频率附近的幅频特性有关。
根据需求,我们需要确定滤波器在截止频率附近的增益大小。
通常情况下,二阶RC有源滤波器的增益可以在0dB到20dB之间选择。
4.计算滤波器的带宽滤波器的带宽是指在该频率范围内信号的幅值不被衰减的程度。
我们需要计算滤波器的带宽,以确定滤波器对所需频率范围内的信号的保留程度。
带宽可以通过截止频率和滤波器增益来计算得出。
5.设计滤波器电路根据上述参数,我们可以设计出二阶RC有源滤波器的电路。
通常情况下,二阶RC有源滤波器由一个有源放大器、两个电容和两个电阻组成。
具体的电路图可以根据滤波器类型和设计要求来确定。
6.进行电路模拟和优化在设计完成后,我们可以使用电路模拟软件进行模拟和优化。
通过模拟,我们可以验证滤波器的性能是否符合设计要求,并根据需要进行电路参数的调整和优化。
7.制作滤波器电路在优化滤波器电路之后,我们可以进行电路的制作和组装。
需要注意的是,尽量采用高质量的元器件来确保滤波器的性能和可靠性。
总结:以上是二阶RC有源滤波器的设计过程。
在设计过程中,我们需要确定滤波器类型、截止频率、增益和带宽等参数,并根据这些参数设计出满足要求的电路。
通过电路模拟和优化,我们可以验证滤波器的性能,并进行必要的调整和优化。
最后,制作出合适的滤波器电路,并确保其质量和可靠性。
二阶RC滤波电路原理一、引言二阶RC滤波电路是一种常见的电子滤波器,用于对信号进行滤波和频率响应的调节。
在本文中,我们将深入探讨二阶RC滤波电路的原理及其工作机制。
二、基本概念在开始深入讨论二阶RC滤波电路的原理之前,我们首先需要了解一些基本概念。
RC滤波器是利用电容和电阻的组合来实现对信号的滤波作用。
而二阶滤波器表示它具有两个级联的一阶滤波器,可以提供更加陡峭的滤波特性。
三、一阶RC滤波器为了更好地理解二阶RC滤波电路,我们首先来回顾一下一阶RC滤波器的原理。
一阶RC滤波器由一个电阻和一个电容组成,它可以将输入信号分为低频和高频两部分,并通过不同的通道进行滤波。
当输入信号的频率低于截止频率时,电容对信号的影响较小,大部分信号通过电阻,从而实现对低频信号的传输。
而当输入信号的频率高于截止频率时,电容对信号的影响变大,从而实现对高频信号的滤波。
四、二阶RC滤波器二阶RC滤波器由两个一阶RC滤波器级联而成,可以提供更加陡峭的滤波特性。
它可以通过两个级联的一阶滤波器来实现对信号的更加精细的调节和滤波。
在二阶RC滤波器中,第一个滤波器级联对低频信号进行滤波,而第二个滤波器级联则对高频信号进行滤波,从而实现对输入信号的更加精细的调节和滤波效果。
五、工作原理二阶RC滤波器的工作原理可以通过频率响应来进行解释。
频率响应是指滤波器对不同频率信号的响应程度。
对于二阶RC滤波器,频率响应曲线通常呈现出两个极点的特征,分别对应低频截止频率和高频截止频率。
在低频截止频率以下,信号可以完全通过滤波器,而在高频截止频率以上,信号基本上被滤波器所屏蔽。
而在截止频率附近,信号的传输会出现衰减的情况,呈现出一个带通滤波的效果。
六、总结通过以上的讨论,我们可以看到二阶RC滤波器具有更加陡峭的滤波特性,可以实现对输入信号的更加精细的调节和滤波效果。
它的工作原理主要通过频率响应来解释,频率响应曲线可以直观地显示出滤波器对不同频率信号的响应程度。
收稿日期:2008-12-28基于Multisi m 的二阶有源滤波器的研究李端1艾永乐1(1.河南理工大学电气工程学院,河南焦作454001)摘要:运算放大器、电阻、电容构成的有源滤波器有显著的优点,在现代电子技术中得到了广泛应用。
本文在对VCVS 滤波电路的传递函数分析的基础上,根据滤波器性能参数及设计要求确定了二阶有源低通滤波电路中电容和电阻值。
在Multi 2si m 环境下建立了滤波电路模型,并对其进行了时域和频域分析,得出了具有一定参考价值的结论。
关键词:M ultisi m 7;有源低通滤波器;电子技术;实践教学中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1672-464X (2009)01-0012-05Appli ca ti on of M ultisi m 7i n Electron i c C i rcu it Teach i n gL I D u a n 1,A I Yo n g -le (Henan Polytechnic University Electrical Engineering and institute1,J iaozuo Henan 454000,China )Abstract:The active filter with resistance,capacitance and Operati onal Amp lifier (OA )is widely app lied t o the modern electr onic technol ogy with p r om inent effects .A 2nd active l oss -pass filter circuit is designed on the basis of analysis of active filter’s transfer functi on .The capacitance value and resistance value are obtained according t o the perf or mance para meter of the filter and its cut off frequency .This paper p resents the l ow -pass filter circuit model in M ultisi m .Keywords:Multisi m 7;Operati onal Amp lifier (OA );electr onic technol ogy;teaching p ractice河南省教育科学"十一五"规划2007年课题,"电子技术基础双语教学改革研究与实践",课题编号:2007-JKGHAG -083滤波器是对信号的频率具有选择性的电路,它的功能是使特定频率范围内的信号通过,而阻止其它频率信号通过。
电子技术课程设计报告(二阶RC有源滤波器的设计)目录第一章设计任务与要求 (3)1.1 设计任务 (3)1.2 设计要求 (3)第二章设计方案 (3)2.1 总方案设计 (3)2.1.1 方案框图 (3)2.1.2 子框图的作用 (3)2.1.3 方案选择 (4)第三章设计原理与电路 (6)3.1 单元电路的设计 (6)3.1.1 原理图设计 (6)3.1.2 滤波器的传输函数与性能参数 (8)3.2元件参数的计算 (10)3.2.1 二阶低通滤波器 (10)3.2.2 二阶高通滤波器 (10)3.2.3 二阶带通滤波器 (10)3.2.4 二阶带阻滤波器 (11)3.2 元器件选择 (11)3.3 工作原理 (12)第四章电路的组装与调试 (12)4.1 MultiSim电路图 (13)4.2 MultiSim仿真分析 (15)第五章设计总结 (19)附录 (20)附录Ⅰ元件清单 (20)附录Ⅱ Protel原理图 (20)附录Ⅲ PCB图(正面) (21)附录Ⅳ PCB图(反面) (22)参考文献 (23)第一章设计任务与要求1.1 设计任务1、学习RC有源滤波器的设计方法;2、由滤波器设计指标计算电路元件参数;3、设计二阶RC有源滤波器(低通、高通、带通、带阻);4、掌握有源滤波器的测试方法;5、测量有源滤波器的幅频特性。
1.2 设计要求1、分别设计二阶RC低通、高通、带通、带阻滤波器电路,计算电路元件参数,拟定测试方案和步骤;2、在multisim里仿真电路,测量并调整静态工作点;3、测量技术指标参数;4、测量有源滤波器的幅频特性;5、写出设计报告。
第二章设计方案2.1 总方案设计2.1.1方案框图积和重量过大等缺点。
由于运算放大器的增益和输入电阻高,输入电阻低,所以能提供一定的信号增益和缓冲作用,这种滤波器的频率范围约为10-3Hz~106Hz,频率稳定度可做到(10-3~10~10-5)/摄氏度,频率精度为+(3~5)%,并可用简单的级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。
基于Multisim的有源滤波电路的设计.txt爱空空情空空,自己流浪在街中;人空空钱空空,单身苦命在打工;事空空业空空,想来想去就发疯;碗空空盆空空,生活所迫不轻松。
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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2Active 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 FilterMultisim7frequency response目录1 引言32 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。
二阶有源RC低通滤波器的分析(拉氏变换法)
9:02:00
如上图所示为一个简单的二阶有源RC低通滤波器,下面分析我仍然用拉氏变换的方法来分析其低通滤波特性
利用放大器的虚短和虚短特性来分析电路
即从电流上看,放大器的输入和输出端为断路特性
从电压上看,放大器的输入和输出端为短路特性
可以对B点列出节点电流方程式:
IR1=IC1+IC2
即:(Ui-UB)/R1=UA/(1/SC2)+UB/(1/SC1)............................(1)
利用虚断特性,可知UA为UO在RA上的分压,可列出方程(2)
UA=RAUO/(RA+RB)...................(2)
同时,利用虚短特性来看,又可知UA为UB在R2上的分压,可列出方程(3)
UB=UA(R2+1/SC2)/(1/SC2).............(3)
将方程1,2,3联合成方程组,可以得出传输函数:
H(S)=UO(S)/Ui(S)
=1/(... ...)
省略号为一个很麻烦的s 的一元二次方程组
将上式中的s用jw代替。
可得到
H(jw)=UO(jw)/Ui(jw)
=1/(... ...)
此时计算|H(jw)|比较繁琐,可以利用MATLAB计算出|H(jw)|,并可以画出其幅频特性曲线,可以看出其幅频特性曲线是比一阶RC低通滤波器的幅频特性曲线更陡的曲线,即其低通滤波特性更好。
摘要在学习《模拟电子技术基础》的基础上,针对课程设计要求,设计一个通带为0.833KHz、中心频率为5KHz、品质因素为6、最大增益为2的带通滤波器,选择有源滤波器的快速设计法为设计方案,计算出该方案需要的电阻、电容、运算放大器参数,通过Multisim软件仿真和电路板的制作,对所选的方案进行调试,验证方案的正确性,并将实际设计的滤波器与仿真得到的滤波器进行比较,分析误差产生的原因。
关键字:带通;滤波器;快速设计法;Multisim仿真;调试;分析误差目录引言 (3)1.设计任务及要求 (3)2.方案选择 (3)3. 二阶有源带通滤波器理论设计 (4)3.1 简介 (4)3.2 工作原理 (4)3.3 传递函数及性能参数 (5)3.4 器件参数的选取 (6)3.5 Multisim仿真及仿真数据处理 (6)4. 电路板的制作 (8)4.1 原理图和PCB图的绘制 (8)4.2 电路板制作过程 (9)5. 电路板的调试 (10)5.1 调试的仪器 (10)5.2 调试过程及结果 (10)5.3 调试所遇到的问题 (13)5.4 调试误差分析 (13)6. 结论 (13)谢辞 (15)参考文献 (16)附录 (17)引言本论文主要讨论信号的处理电路,其中一种电路称为模拟滤波器,模拟滤波器的主要功能是传送输入信号中有用的频率成分,衰减或抑制无用的频率成分,本文主要研究由电阻、电容和运算放大器组成的有源带通滤波电路,其原理是通过对电容、电阻参数的配置,使得模拟滤波器对频率在通带内的频率分量呈现很小的阻抗,而对频带外的频率分量呈现很大的阻抗,这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把通带内的信号提取出来,把通带外的信号去除。
本论文介绍了使用查表归一快速设计有源滤波器的方法设计二阶有源带通滤波器的详细步骤,并对设计过程中所要处理的数据及图像进行详细地列举、分析。
1.设计任务及要求1)设计一个模拟带通滤波器;2)参数自定;3)调整并记录滤波器的性能参数及幅频特性;2.方案选择滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络,它允许某些频率(通常是某个频率范围)的信号通过,而其它频率的信号幅值均要受到衰减或者抑制。
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,输出阻抗又低,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。
电子设计大赛题目:二阶带通滤波器电路设计小组成员:董续盛(组长) 学号:2011221107120085杨坤学号:2011221105200224陈贻凡学号:2011221105200153 专业:电子科学与技术院系:物理学与电子科学技术学院完成时间:2013年5月29日星期三二阶带通滤波器的设计摘要:带通滤波器是指能够通过某一频率范围内的频率分量,但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。
本文重点介绍了以Multisim仿真软件为平台,分析和设计了带通滤波器电路。
使用虚拟示波器、波特图示仪等设备,采用理论分析、计算和交流仿真分析等多种方法,详细探讨了带通滤波器电路的原理及工作特性,完成实际电路仿真,给出了Multisim 软件电路仿真过程和效果。
介绍了高低通滤波器的工作原理。
设计了一个由高通滤波电路和低通滤波电路级联而组成的带通滤波,给出了系统的电路设计方法以及主要模块的原理分析。
实验结果表明,该滤波器具良好的滤波效果以及运行稳定可靠等优点。
关键词:Multisim 带通滤波器仿真一、滤波器的分析1.1简介带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器,与带阻滤波器的概念相对。
.1.2工作原理一般的理想滤波器应该有一段完全平坦的通带,在那段频带内信号能无衰减的输出,实际上,并不存在理想的带通滤波器。
滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉,尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。
这通常称为滤波器的滚降现象,并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。
通常,滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好,这样滤波器的性能就与设计更加接近。
然而,随着滚降范围越来越小,通带就变得不再平坦—开始出现“波纹”。
这种现象在通带的边缘处尤其明显,这种效应称为吉布斯现象。
1.3 系统整体结构及主要电路整体系统结构如下图所示,由高通滤波电路,低通滤波电路及其他辅助电路组成,HPF LPF本电路实现了信号有各种频率到频率只剩下1000Hz到100kHz的变换。
1 前言1.1 选题依据滤波器是一种能从杂质信号中过滤出有用信号的的电路。
按其电路中使用的是有源元件还是无源元件,滤波器分为无源和有源,有源滤波器的主要构造是RC网络、集成电路、运算放大电路。
通常它的体积很小,性能也很好,但是它的增益和输入阻抗很高,这是因为集成运放的输出阻抗很低造成的,所以有源滤波器还具有放大、缓冲的作用。
利用有源滤波器可以将有用信号从复杂信号中过滤出来,抑制噪声信号,从而使信噪比得到提高,因而有源滤波器广泛地应用在通信、控制、测量等技术领域中。
本次毕业设计,我是根据自己的兴趣爱好和所学过的专业知识来完成的。
1.2 有源滤波器的发展概况及现状有源滤波器伴随着集成运放的出现开始发展;在1970年后,人们开始重视有源滤波器的发展。
1974年,高频RC有源滤波器可以达到GB/4的工作频率。
有源C滤波器由电容和运算放大器构成,其性能仅取决于电容比。
从而解决电阻给集成带来的困难,最重要的是过滤精度都得到很大的提高。
1978年,滤波器受单片RC有源滤波器的影响,得到了快速地发展]1[。
去掉了电感器后,不仅使滤波器的体积变小了,而且也大大的提高了它的Q值。
如今虽然有源滤波器已经在很多方面都得到了广泛的应用,但是关于它的很多方面仍需要进一步的研究和改进,比如:单片集成有待改进;理想运放的实际特性要进一步接近理想值的研究;进一步应用线性变换方法的探索等。
故有源滤波器无论是在理论上,还是在实际应用中都需要进一步的研究和发展。
2 总方案设计2.1 RC有源滤波器的组成RC有源滤波器最基本的组成部分:1、RC网络:主要构造为电阻和电容,其作用就是在电路中进行滤波,将有用的信号过滤出来,选取波形。
2、放大器:电路中应用了同相输入运放,其特点是具有高输入阻抗,低输出阻抗,主要应用于前置放大级。
3、反馈网络:把经过放大器输出后的信号再次印象到放大器,并比较前后两次输入的信号,用经过比较后所得的有效输入信号去控制输出的过程叫反馈。
反馈网络分为正、负反馈,其框图如图2-1所示:图2-1 RC有源滤波方框图2.2 方案选择在通信测量和控制领域中有源滤波器的应用很广泛。
在要求的频带内理想滤波器的增益是均匀而稳定的,而在通带以外则衰减无穷大。
然而在实际应用中,滤波器会有一定的衰减,通常只能采用各种函数来逼近滤波器的理想频率特性。
根据给定的技术指标,元器件的个数种类以及电路的形式都可以选定。
滤波器的技术指标分为通频带和阻带,通带指标包括通带传输系数、通带边界频率。
阻带指标为帯沿的陡变。
下面简述滤波器的设计原则:2.2.1 关于滤波器类型的选择巴特沃斯滤波器通带内的频率响应曲线几乎平坦,而在阻带内频率响应慢慢衰减,其中一边界角频率先增加后减小,最终趋向负无穷大。
在这次设计中,我选择设计的是巴特沃斯二阶有源高通滤波器和巴特沃斯二阶有源低通滤波器]2[。
2.2.2 级数的选择一阶滤波器的结构最简单的,带外传输缓慢。
一般情况下可以选用,但是当对带外衰减性要求很高的情况下,选用一阶滤波器就不合适了]3[。
无限增益多环反馈型滤波器对参数变化比较敏感,而压控电压源型滤波器对参数变化较为迟钝。
任何阶数的滤波器均可通过多级滤波器串联而得到,平均每阶高通或低通电路每倍频程可衰减-6dB。
根据各方面综合因素的考虑,本次设计我选择的是二阶滤波器。
2.2.3 运放的要求一般选择通用型运算放大器,其开环增益通常要高于80dB,这样不仅可以满足反馈足够深以确保所需滤波特性。
运算放大器工作频率的上限决定其频率特性。
如果滤波器的输入信号小于10mV,这时应该选低漂移运放。
低漂移高输入阻抗的运算放大器可以使滤波器工作在极其低的频率。
在这次电路设计中,选用的是八管脚的u A741单运放,其引脚和内部原理如下图所示]4[:图2-2 U A741单运放引脚图图2-3 u A741 内部原理图2.2.4 元器件的选择电阻:在市场中选择合适的电阻,不仅要根据电路中电容的截止频率、带内增益及其他相关参数的计算结果选择,而且要根据时间销售情况选择。
电容: 在实际设计中,电容容易选配,选取电容时可以参考带内增益,截止频率,以及品质因数。
滤波器的电容与其工作频率的对应取值如表2-1所示。
表2-1 滤波器的电容与其工作频率的取值f (1-10)Hz(10-102)Hz(102_103)Hz(1-10)KHz(10-102)KHz(102_103)KHzC (20-10)F(10-0.1)uF(0.1-0.01)uF(0.01-0.001)uF(0.001-0.0001)uF(102 _10)pF2.3 指标的设计(1)二阶RC有源低通滤波器:通带增益Auf=1.6;截止频率f h=400Hz;品质因数Q=0.707;阻带衰减不小于︳-40dB/10oct |;(2)二阶RC有源高通滤波器:通带增益Auf=1.6;截止频率f l=2KHz;品质因数Q=0.707;阻带衰减大于等于︳-40dB/10oct |;(3) 二阶RC有源带通滤波器:通带增益Auf=4.0;中心频率=1.2 KHz;800赫兹至1.6千赫的带宽范围;阻带衰减大于等于︳-40dB/10oct |。
3 有源滤波器的设计3.1 有源滤波器的基本概念RC有源滤波器主要由RC元件与运算放大器构成,它的功能主要就是滤出有用信号而滤掉杂质信号。
有源滤波器工作在低频范围内时在许多方面都有着很广泛的应用,这也是因为受到运算放大器频带的限制]5[。
通常滤波器可分为低通、高通、带通等滤波器,其幅频特性曲线如下图所示:(A)低通(B)高通 (C) 带通图3-1 滤波电路的幅频特性由于具有理想幅频特性的滤波器很难实现,实际的幅频特性只能尽量逼近理想值。
通常情况下,滤波器的相频特性与其幅频特性的好与差是不一致的。
滤波器的幅频特性衰减速率的快与慢主要受两个因素的影响,这两个因素就是滤波器阶数和RC网络的节数]6[。
3.2 有源滤波器的传输函数表3-1 二阶RC滤波器的传输函数表类型传输函数性能参数高通——电压增益低通——低、高通滤波器的截止角频率B W——带通、带阻滤波器的带宽带通3.3 单元电路的设计3.3.1 二阶RC有源高通滤波器的设计(1)高通滤波器的性能高通滤波器是用来将高频信号从噪声的信号中过滤出来并过滤掉低频信号的滤波器。
如图所示电路为正反馈二阶有源高通滤波器,它的主要构成元素为RC滤波网络和同相比例运算电路,其幅频特性得到了改善]7[。
二阶高通滤波器幅频特性如图3-2(B)所示。
(A) 电路图 (B) 幅频特性图3-2 二阶高通滤波器(2)电路性能参数:二阶高通滤波器的通带增益为:(3-1) 截止频率,它是二阶高通滤波器通带与阻带的界限频率:(3-2)品质因数:(3-3) 当f远大于f0时,幅频特性曲线具有每十倍频40分贝的角系数;当A UP≥3时,电路自激振荡。
(3)参数计算:设置高通滤波器的截止频率为2.0KHz,Q值为0.707,由式:(3-4)得出A UP=1.58,又由:(3-5)得R f/R1=0.58,设定R1=15.1KΩ,R f=9.1KΩ,由式:(3-6)得出R2=R3=8.2KΩ3.3.2 二阶RC有源低通滤波器的设计(1)低通滤波器特性低通滤波器用来将低频信号从噪声中过滤出来并滤掉高频等杂质信号]8[。
低通滤波器性能与高通滤波器频率响应的分析方法相同,下面就仿照高通滤波器的分析方法对低通滤波器展开讨论。
其电路图和频率特性如下图所示:(A)电路图 (B)频率特性图3-3 二阶低通滤波器(2)电路性能参数二阶低通滤波器的通带增益为:(3-7)截止频率,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率:(3-8)品质因数:(3-9)当 2<A UP<3时,若Q大于1,在f=f0处的电压增益将大于A UP,幅频特性在f=f0处将升高如图3-3所示。
当A UP≥3时,若Q趋向无穷,有源滤波器自激振荡。
(3)参数计算将低通滤波器的截止频率设为400.0Hz,Q值设为0.707,由式:(3-10)得出A UP=1.58,又由:(3-11)得出R f /R1=0.581,设定R1=15.0KΩ,R f=9.1KΩ,由式:(3-12)得出R2=R3=39KΩ3.3.3 二阶RC有源带通滤波器的设计(1)带通滤波器特性带通滤波器就是将某一范围内的信号从复杂信号中过滤出来,并且将频率过高或过低的信号滤掉。
其带通滤波器原理如框图3-4所示。
(A) 带通滤波器原理框图(B)电路图 (c)幅频特性图3-4 二阶带通滤波器(2)电路性能参数:二阶带通滤波器的通带增益:A UP=A UP1+A UP2 (3-13)二阶低通滤波器的截止频率:f h=1/(2π*R1*C1) (3-14)二阶高通滤波器的截止频率:f l=1/(2π*R2*C2) (3-15)中心频率:f0=(f h+f l)/2 (3-16)品质因数:Q=f0/(f h -f l) (3-17)(3)参数计算:图3-4中所示的是频带为800赫兹到1.6千赫兹的带通滤波器,它是高低通滤波器串联而成的。
它的上限截止频率与带通滤波器的上限频率一致,其下限频率与低通滤波器的下限截止频率相同。
其中C1=C2=C3=C4=0.01uF由式(3-14)、式(3-15)得:R3=R4=10KΩ,R5=R6=20KΩ又A UP=1+A f /R1,得R f1=R f2=R1=R2=5.1KΩ4 电路的组装与调试4.1 Multisim软件简述Multisim是对电子电路进行仿真分析的软件,包括电路原理图的图形输入和电路硬件描述语言输入两种方式。
它可以仿真、分析、设计各种电路,仿真方法也有两种,它们是模拟实验和电路分析。
Multisim仿真软件操作简便、设备先进、功能完备、简便易学,与实际类似它完全可以看作是一个虚拟的大型电子实验室]9[。
它几乎可以对所有的基本电路进行虚拟实验,虚拟实验不仅与实际相似,而且要比实际简单方便的多。
它可以通过多种电路分析功能对电路实际工作性能和状态进行仿真分析。
本设计充分应用了Multisim软件对二阶有源滤波器进行了仿真,并做了频率特性分析和瞬态分析。
4.2 Multisim电路图与仿真分析4.2.1 二阶低通滤波器图4-1 二阶低通滤波电路如上图所示利用Multisim设计了一个上半部分由两个电阻和一个理想运放构成的同相比例放大电路,下半部分是一个二阶RC滤波器电路结构,构成器件主要为两个电容和两个电阻。
在滤波电路中提供输入信号的是一个12V的频率可调的A C电压源。
(1)理论分析在电路中低频条件下工作的两个电容处于开路状态,其通带电压放大倍数为:A UP=1+R f /R1=1.58 (4-1)通带截止频率f0为:f0=1/(2π*R*C)=400Hz (4-2)(2) 虚拟示波器分析首先选择虚拟仪器中的虚拟双踪示波器,并将电路的输出输入端分别与示波器的A、B端相连接,最后点击仿真选项进行仿真得出波形如下图所示:图4-2 利用示波器得到的二阶低通滤波器电路的输入输出波形上图所示是在输入信号幅度为12.0V,频率为1.0KHz的条件下,二阶低通滤波器电路的输入输出波形。