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滤波的Multisim仿真1. 引言在电子电路设计中，滤波器是一种常用的电路组件，用于去除信号中的噪声或者选择特定频率范围内的信号。
滤波器可以通过不同的滤波算法和电路结构来实现，其中Multisim是一款常用的电子电路仿真软件，可以用于设计和验证各种类型的滤波器。
本文将介绍如何使用Multisim进行滤波器的仿真。
首先会详细介绍Multisim软件的基本操作和界面布局，然后会以一个低通滤波器为例，演示如何利用Multisim进行仿真并分析其输出结果。
2. Multisim软件介绍Multisim是由美国国家仪器（National Instruments）公司开发的一款集成电路设计与仿真软件。
它提供了丰富的元件库和强大的仿真功能，能够帮助工程师们快速设计、验证和优化各种类型的电子电路。
Multisim软件具有直观友好的用户界面，可以轻松实现原理图绘制、参数设置、仿真运行等操作。
它支持多种不同级别的模型库，并且提供了多种仿真分析工具，如直流分析、交流分析、传递函数分析等，可以满足不同需求的设计和验证任务。
3. Multisim的基本操作3.1 界面布局Multisim的界面主要由以下几个部分组成：•工具栏：提供了常用的绘图工具和仿真控制按钮。
•元件库：包含了各种类型的电子元件，可以从中选择并拖放到原理图中。
•原理图编辑区：用于绘制电路原理图。
•参数设置区：用于设置元件的参数和仿真条件。
•输出窗口：显示仿真结果和错误信息。
3.2 元件选择与连接在Multisim中，可以通过从元件库中选择合适的元件，并将其拖放到原理图编辑区来构建电路。
常见的电子元件如电阻、电容、电感等都可以在Multisim中找到。
连接元件时，只需将鼠标指针移动到一个元件上的引脚上，并拖动至另一个元件的引脚上即可完成连接。
Multisim会自动判断引脚之间是否存在合适的连接关系，并进行连线。
3.3 参数设置与仿真运行在设计滤波器之前，需要为每个元件设置合适的参数。
基于Multisim的滤波电路分析与设计一.实验内容：实验内容一（必做）：文氏电桥电路频率特性及中心频率的测试1.设置电路输入信号电压（即函数发生器输出电压）幅值(Amplitude) 为7.07V（即有效值5V），改变函数发生器的频率f分别为200Hz、300 Hz、……1.5k Hz、2k Hz，记录相应的输出电压U0(V)的值和输入输出相位角φ(Deg)的值于表10-1。
2.记录输入输出同相位（即φ=0）时的频率f0(Hz)称之为电路中心频率或电路谐振频率，以及输出电压值U0max(V) 于表10-1。
3.保持电路输入信号电压幅值(Amplitude) 为7.07V（即有效值5V），改变电路电阻R的值分别为0.2kΩ、0.47 kΩ、1 kΩ、1.5 kΩ、2 kΩ，记录不同电阻值时电路中心频率f0(Hz)的值于表10-2。
实验内容二（选做）：双T网络电路频率特性及中心频率的测试表10-3和表10-4。
二.实验步骤：1.运行multisim。
双击桌面multisim图标，出现对话框后点击close，进入multisim主界面。
2.主界面面板介绍及操作。
主界面上边部分从上往下依次分别为菜单栏、工具栏、状态键→仿真和暂停、元器件库图标、仿真运行和暂停开关；中间区域为仿真电路工作区；仿真电路工作区的右侧为虚拟仪器仪表栏。
关闭电路运行开关，使用鼠标右键实现旋转、移动、删除……等操作；使用鼠标左键双击电路中某一元器件或虚拟仪器，弹出相应的窗口，可以修改其参数值或进行参数设置。
3.建立电路。
按照实验教程中的文氏电桥实验电路图（或下页给出的仿真电路图）在工作区中按照下面的方法设置元器件和虚拟仪器仪表、设置电路节点、连线完成实验电路。
建立电路时一定要注意：必须设置电路的参考地（GROUND）。
⑴. 设置元器件。
在主菜单“place”→“component”→“basic”中调入二个电阻R(RESISTOR) 、二个电容C(CAPACITOR)。
课程设计说明书题目基于multisim的脑电采集系统的设计与仿真学院（系）：年级专业：学号：学生姓名：指导教师：教师职称：目录1课程设计的目的 (4)2课程设计的要求 (4)3 脑电放大滤波的方案设计 (5)4脑电仪采集电路 (5)4.1前置放大电路 (5)4.2高通低通滤波电路 (8)4.3 50Hz工频陷波 (10)4.4电平二级放大电路 (12)5 课程设计总结 (13)6 参考文献 (14)1课程设计的目的脑电信号是与反映大脑神经活动有关的生物电位，由皮层内大量神经元突出后电位同步总和所形成的，是许多神经元共同活动的结果。
对它进行检测可用于神经诊断和认知生理心理学研究，以及康复领域。
现在已明确，在头皮上引导的脑电波振幅，在正常情况下，从波峰到波底为5~200µV（而从大脑皮层上引导的电位变化可达到1mV）其频率范围从小于1Hz到100Hz，波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠的水平相关，且存在很大的个体差异，也就是说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现。
因而脑电信号放大和采集的实现仍是一个难题。
而实现脑电信号放大的主要困难在于高增益放大的同时去除各种干扰。
脑电图是一种随机性的生理信号，其规律性远不如心电图那样明确，通常将脑电图的振幅和频率成分作为脑电诊断的主要依据，而频率成分显得尤为重要。
因为大脑活动的程度与脑电图节律的平均频率之间有密切的关系。
一般将正常脑电活动相关的脑电波频率范围划分为五种类型，频率由低到高，将正常的脑电信号划分为δ( 0. 5 ～3. 5Hz) ,θ波(4～7 Hz) ,α波(8～13 Hz) , β波(18～30 Hz) ,γ波(31 Hz以上)。
本课程设计目的是设计一个低功耗脑电仪采集电路。
脑电信号采集模块主要由脑电采集电路、信号放大电路、滤波电路和AD 采样电路组成。
脑电信号十分微弱且有较多干扰，所以在电极采集到心电信号之后，先通过放大电路将信号高保真放大，然后再通过滤波电路滤除诸多干扰得到较高信噪比的心电信号，最后进行AD 采样。
昆明理工大学（MultiSim）实验报告实验名称：电压检测及滤波器实验实验时间：2014 年9 月3 日专业：指导教师：姓名：学号：成绩：教师签名：一、实验目的：由于集成运算放大器的输入电压有限，所以在检测较高电压时，需要将原电压分压后与集成运算放大器连接。
同时需要考虑到电路故障而致使元件损坏，因此在电路中应接入普通光隔，对集成运算放大器给予最大的保护。
二、实验内容：在设计中，输入的电压采用电阻分压后经线性光隔隔离后输出，电阻分压后的电压必须在集成运算放大器供电电压范围以内，故采用了普通光隔TLP521-2实现，应用反馈控制原理，实现线性光隔电路及直流电压检测电路。
通过光隔以后的电压VCT经过滤波电路，以便将模拟信号转换为数字信号，从而进行电压检测。
在电压检测电路中，VCT依次通过了放大电路中的实用微分电路，电压并联负反馈电路及电压跟随器，最后输出到A点，得到小于5V的电压信号。
在这些电路中，都引入负反馈电路。
利用负反馈使反馈信号削弱外加输入信号，使放大电路的放大倍数降低，它稳定了放大电路中的某个电量，虽然损失了放大倍数，但可改善电路的其他性能，使电路的通频带宽度增加。
在电压并联负反馈电路中，反馈信号取自放大电路的输出电压，在输入回路中，净流入即输入信号与反馈信号以电流的形式求和，当输入电压的瞬时值升高，由于加在反向输入端，故输出电压的瞬时值将降低，于是流过电阻的反馈电流将增大，它将削弱输入电流的作用，使净流入电流减小，即降低了放大器的电流放大倍数，稳定了放大器的电流增益。
电压跟随器就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。
电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低。
电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。
根据电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。
基于Multisim的整流滤波电路仿真分析杨威;左月明;吴海云【摘要】In this article, for the limit of traditional hardware conditions in the experiment, by using the simulation functions of the MultisimlO software, the rectifier filter circuit was simulated. We can observe the wave of the rectifier filter circuit and the wave changes. The results showed that the ripple factor obviously decreased with the increase of the filter capacitance value. The results of experimental simulation conformed the theoretical analysis.%为了能够方便快捷的获取实验数据,针对传统实验中对硬件条件的限制,利用Multisim10软件的仿真功能,对整流滤波电路进行了仿真.从仿真结果中可以直观的观察到整流滤波后的波形以及波形的变化.结果表明,随着滤波电容值的增大,脉动系数明显减小.实验仿真的结果和理论分析相符合.【期刊名称】《山西农业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(032)003【总页数】4页(P281-284)【关键词】Multisim 10;整流;滤波;电容;脉动系数【作者】杨威;左月明;吴海云【作者单位】山西农业大学信息学院,山西太谷030800;山西农业大学工学院,山西太谷030801;山西农业大学工学院,山西太谷030801【正文语种】中文【中图分类】TM531.5通常的整流滤波电路实验是通过示波器观察实验电路板上器件产生的波形来了解电路的性质。
基于N IM ultisim 10的有源滤波器的设计与仿真张文俊(中国人民解放军电子工程学院,安徽省合肥市230037)摘 要:有源滤波器因其体积小、重量轻、成本低、可靠性高、提供增益放大、设计标准化、模块化、便于集成等突出的优点,在信号处理中有着广泛的应用。
在对MF B (无限增益多路反馈)滤波电路的传递函数分析基础上,由2阶MF B 阶低通滤波电路级联的方法构建了有源低通滤波器,用查表法设计了基于巴特沃斯逼近的8阶有源低通滤波器,并用N IMultisi m 10软件对设计的滤波器的交流特性进行了仿真分析,其交流特性符合设计理论,具有一定的参考价值。
关键词:有源滤波器;仿真;N IMultisi m 10中图分类号:T N713.8收稿日期:2008211210;修回日期:2009202205。
0 引 言滤波器在通信测量、控制系统、电力系统及电气设备中有着广泛的应用。
自20世纪60年代以来,有源滤波器因其突出的优点,如体积小、重量轻、成本低、可靠性高、提供增益放大、设计标准化、模块化、便于集成等,在信号处理中有着越来越多的应用。
因此,研究有源滤波器的设计就有很大的实际意义[1]。
本文设计了8阶MF B (无限增益多路反馈)巴特沃斯有源低通滤波器,并用N IMultisi m 10进行了仿真研究。
1 有源滤波器设计设计滤波器时通常给定截止频率、带内增益、品质因数等性能指标,滤波器的设计任务是根据给定的性能指标选定电路形式和确定电路的元器件。
具有理想特性的滤波器是很难实现的,只能用实际特性去逼近,就是必须对理想特性进行一定的修改,用具有可实现性的传递函数来描述所需的性能指标,使其性能在一定的误差范围内能满足要求,它的幅频特性、相频特性与所设计的电路特性近似。
成熟的逼近方法有巴特沃斯响应、切比雪夫响应、椭圆响应、贝赛尔响应等[2]。
一个具有可实现性的有源滤波器的传递函数为:H (s )=B (s )A (s )=a m s m +a m -1S m -1+…+a 1s +a 0b n s n +b n -1s n -1+…+b 1s +b 0(1) 有源滤波器的实现可分为直接实现和级联实现。
基于Multisi m 的脑电滤波电路的设计尹晓琦(淮阴工学院电子信息工程系,江苏淮安223003)摘要:脑电信号作为一种特殊而复杂的生物电信号,反映了大脑的功能状态。
原始的脑电信号十分微弱,只有10～50μV,背景噪声强,包含了电极极化电压、高频干扰电压、以及50Hz 工频干扰电压。
脑电信号处理的关键问题之一是如何有效地消除脑电信号中的噪声干扰成分。
主要设计了脑电信号采集过程中的滤波电路,包括低通滤波器、高通滤波器、50Hz 工频陷波器,并在M ultisi m 软件平台上仿真实现。
经过处理之后,可使脑电信号和噪声有效分离,以便进行A /D 转换。
关键词:脑电;低通滤波;高通滤波;陷波器;仿真中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-7961(2009)01-0042-04D esi gn of Electroencepha logram S i gna l F ilter C i rcu its Ba sed on M ultisi mYIN Xiao -qi(Depart m ent of Electr onic I nf or mati on Technol ogy,Huaiyin I nstitute of Technol ogy,Huai’an J iangsu 223003,China )Abstract:A s a kind of s pecial and co mp lex bi oelectricity signal,electr oencephal ogra m (EEG )reflects the functi onal state of the brain .O riginal EEG must be magnified because its voltage is very l ow,usually bet w een 10-50μV,and noises of the backgr ound is str ong which contain the polarizing voltage of electr odes,voltage of high frequency interference,voltage of 50Hz industrial frequency that disturbs EEG .One of the key p r oble m s is that how t o eli m inate the noises .I n this paper,the filter circuits of the Electr oencephal ogra m signal sa mp lingsyste m is designed that include l ow -pass filter,high -pass filter and 50Hz -trap filter,and si m ulati on is made on Multisi m .After p re -p r ocessing,we can acquire high -quality of EEG signals,which are sent t o AD converter .Key words:EEG;l ow -pass filter;high -pass filter;rap filter;si m ulati on收稿日期:2008-12-23基金项目:淮阴工学院青年基金项目(HG Q0627)作者简介:尹晓琦(1975-),女,江苏淮安人,硕士,讲师,主要研究方向为通信与信号处理技术。
用Multisim分析二阶低通滤波器电路1 引言是加拿大Interactive Image Technologies公司近年推出的线路软件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试验环境。
利用Multisim，建立、仿真分析和结果输出在一个集成菜单中可以所有完成。
其仿真手段切合实际，元器件和仪器与实际状况十分临近。
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提供的元器件彻低兼容。
Multisim提供了丰盛的分析功能，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;深化分析了二阶低通电路。
利用Multisim可以实现从原理图到布线工具包(如Electronics Workbench的Ultiboard)的无缝隙数据传输，且界面直观，操作便利。
2 电路设计因为一阶的幅频特性下降速率惟独-20 dB/10 f，与抱负状况相差太大，其滤波效果不佳。
为了加快下降速率，使其更临近抱负状态，提高滤波效果，我们常常用法二阶RC有源滤波器。
实行的改进措施是在一阶的基础上再增强一节RC网络。
电路结构1所示，此电路上半部分是一个同相比例放大电路，由两个R1，Rf和一个抱负运算构成。
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，频率可调的沟通源提供输入信号，用一个阻值为1 kΩ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fP4 Multisim分析4.1 虚拟分析在Multisim软件的栏中挑选虚拟双踪示波器，将示波器的A、B端分离衔接到电路的输入端与输出端(即图1中的1、3节点)，再点击仿真按钮举行仿真，得到如下波形。
“基于Multisim的滤波电路分析与设计”实验说明一. 实验内容实验内容一（必做）：文氏电桥电路频率特性及中心频率的测试1. 设置电路输入信号电压（即函数发生器输出电压）幅值(Amplitude) 为7.07V（即有效值5V），改变函数发生器的频率f分别为20Hz、60 Hz、……8k Hz、12k Hz（见表10-1），记录对应的输出电压U0(V)的值和输入输出电压比值Ku、输入输出相位角φ (Deg)的值于表10-1。
2. 记录输入输出同相位（即φ=0）时的频率f0(Hz)称之为电路中心频率或电路谐振频率，以及输出电压值U0max(V) 于表10-1。
3. 保持电路输入信号电压幅值(Amplitude) 为7.07Vp（即有效值5V）不变，改变电路电阻R的值分别为0.2kΩ、0.47 kΩ、1 kΩ、1.5 kΩ、2 kΩ，记录不同电阻值时电路中心频率f0(Hz)的值于表10-2。
实验内容二（选做）：双T网络电路频率特性及中心频率的测试表10-3和表10-4。
二. 实验步骤1. 运行仿真软件。
双击桌面multisim图标，出现对话框后点击close，进入multisim主界面。
2. 主界面面板介绍及操作。
主界面上边部分从上往下依次分别为菜单栏、工具栏、状态键→仿真和暂停、元器件库图标、仿真运行和暂停开关；中间区域为仿真电路工作区；仿真电路工作区的右侧为虚拟仪器仪表栏。
关闭电路运行开关(所有操作都需在此开关闭合的状态下进行)，使用鼠标右键对电路中的器件、线条、仪器等等来实现旋转、移动、删除……等操作；使用鼠标左键双击电路中某一元器件或虚拟仪器，弹出相应的窗口，可以修改其参数值或进行参数设置。
3. 建立电路。
按照实验教程中的文氏电桥实验电路图（或下面给出的仿真电路图）在工作区中按照下述方法设置元器件和虚拟仪器仪表、设置电路节点、连线建立实验电路。
建立电路时一定要注意：必须设置电路的参考地（GROUND）。
图2Filter Wizard 对话框p cs图1低通滤波器的幅频特性文章编号：1005—7277（2009）01—0056—022009年第31卷第1期第56页电气传动自动化ELECTRIC DRIVE AUTOMATION Vol．31，No．12009，31（1）：56～571引言Multisim 是加拿大于八十年代末、九十年代初推出的用于电路仿真与设计的EDA 软件，又称“虚拟电子工作台”。
Multisim 是在EWB （Electronics Workbench ）的基础上发展起来的，很大程度地增强了软件的仿真测试和分析功能，大大地扩充了元件库中的仿真元件数量，使仿真设计更精确、可靠。
Filter Wizard 是其中一个专门用于滤波器设计的模块，但利用Filter Wizard 进行滤波器设计的介绍并不多见，本文以一个具体的实例来介绍如何利用Filter Wizard 进行滤波器设计。
2滤波器设计的基本概念衡量滤波器的技术指标主要有：通带、阻带和过渡带。
利用滤波，可以从复杂的信号中获取所需要的信号。
所谓滤波器，就是对已知激励，可以在时间域或频率域产生规定响应的网络。
根据滤波器输入信号形式的不同，滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器。
下面以低通滤波器为例来说明滤波器的设计指标。
以低通滤波器为例来说明模拟滤波器的设计指标，如图1所示，模拟滤波器的主要指标有R P 、ΩP 、R S 和ΩS 。
其中ΩP 和ΩS 为通带和阻带截止频率；R P 和R S 表示通带和阻带内的最大衰减系数。
在滤波器设计中还有一个重要的参数，即截基于Multisim 中Filter Wizard 的滤波器设计逯广义（甘肃省机械工业学校，甘肃天水741001）摘要：滤波器技术的发展推动了现代电路的发展，本文介绍了如何应用Multisim 中Filter Wizard 进行滤波器设计的基本概念和步骤，通过一个具体的实例来介绍了应用Multisim 中Filter Wizard 设计滤波器的方法。
课程设计说明书题目基于multisim的脑电采集系统的设计与仿真学院（系）：年级专业：学号：学生姓名：指导教师：教师职称：目录1课程设计的目的 (4)2课程设计的要求 (4)3 脑电放大滤波的方案设计 (5)4脑电仪采集电路 (5)4.1前置放大电路 (5)4.2高通低通滤波电路 (8)4.3 50Hz工频陷波 (10)4.4电平二级放大电路 (12)5 课程设计总结 (13)6 参考文献 (14)1课程设计的目的脑电信号是与反映大脑神经活动有关的生物电位，由皮层内大量神经元突出后电位同步总和所形成的，是许多神经元共同活动的结果。
对它进行检测可用于神经诊断和认知生理心理学研究，以及康复领域。
现在已明确，在头皮上引导的脑电波振幅，在正常情况下，从波峰到波底为5~200µV（而从大脑皮层上引导的电位变化可达到1mV）其频率范围从小于1Hz到100Hz，波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠的水平相关，且存在很大的个体差异，也就是说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现。
因而脑电信号放大和采集的实现仍是一个难题。
而实现脑电信号放大的主要困难在于高增益放大的同时去除各种干扰。
脑电图是一种随机性的生理信号，其规律性远不如心电图那样明确，通常将脑电图的振幅和频率成分作为脑电诊断的主要依据，而频率成分显得尤为重要。
因为大脑活动的程度与脑电图节律的平均频率之间有密切的关系。
一般将正常脑电活动相关的脑电波频率范围划分为五种类型，频率由低到高，将正常的脑电信号划分为δ( 0. 5 ～3. 5Hz) ,θ波(4～7 Hz) ,α波(8～13 Hz) , β波(18～30 Hz) ,γ波(31 Hz以上)。
本课程设计目的是设计一个低功耗脑电仪采集电路。
脑电信号采集模块主要由脑电采集电路、信号放大电路、滤波电路和AD 采样电路组成。
脑电信号十分微弱且有较多干扰，所以在电极采集到心电信号之后，先通过放大电路将信号高保真放大，然后再通过滤波电路滤除诸多干扰得到较高信噪比的心电信号，最后进行AD 采样。
基于Multisi m 的脑电滤波电路的设计尹晓琦(淮阴工学院电子信息工程系,江苏淮安223003)摘要:脑电信号作为一种特殊而复杂的生物电信号,反映了大脑的功能状态。
原始的脑电信号十分微弱,只有10～50μV,背景噪声强,包含了电极极化电压、高频干扰电压、以及50Hz 工频干扰电压。
脑电信号处理的关键问题之一是如何有效地消除脑电信号中的噪声干扰成分。
主要设计了脑电信号采集过程中的滤波电路,包括低通滤波器、高通滤波器、50Hz 工频陷波器,并在M ultisi m 软件平台上仿真实现。
经过处理之后,可使脑电信号和噪声有效分离,以便进行A /D 转换。
关键词:脑电;低通滤波;高通滤波;陷波器;仿真中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-7961(2009)01-0042-04D esi gn of Electroencepha logram S i gna l F ilter C i rcu its Ba sed on M ultisi mYIN Xiao -qi(Depart m ent of Electr onic I nf or mati on Technol ogy,Huaiyin I nstitute of Technol ogy,Huai’an J iangsu 223003,China )Abstract:A s a kind of s pecial and co mp lex bi oelectricity signal,electr oencephal ogra m (EEG )reflects the functi onal state of the brain .O riginal EEG must be magnified because its voltage is very l ow,usually bet w een 10-50μV,and noises of the backgr ound is str ong which contain the polarizing voltage of electr odes,voltage of high frequency interference,voltage of 50Hz industrial frequency that disturbs EEG .One of the key p r oble m s is that how t o eli m inate the noises .I n this paper,the filter circuits of the Electr oencephal ogra m signal sa mp lingsyste m is designed that include l ow -pass filter,high -pass filter and 50Hz -trap filter,and si m ulati on is made on Multisi m .After p re -p r ocessing,we can acquire high -quality of EEG signals,which are sent t o AD converter .Key words:EEG;l ow -pass filter;high -pass filter;rap filter;si m ulati on收稿日期:2008-12-23基金项目:淮阴工学院青年基金项目(HG Q0627)作者简介:尹晓琦(1975-),女,江苏淮安人,硕士,讲师,主要研究方向为通信与信号处理技术。
0 引言 脑电信号属于低频的微弱信号,一般信号只有10～50μV,最大为100μV 。
脑电阻抗很高(几十kΩ),频率范围为0.5～100Hz,具有不稳定和非线性的特点。
当代脑电图学根据其频率和幅值的不同,将正常的脑电信号划分为δ(0.5～3.5Hz ),θ波(4～7Hz ),α波(8～13Hz ),β波(18～30Hz ),γ波(31Hz 以上)。
由于脑电信号背景噪声强,信号幅度微弱,因此在进行有效的处理、记录或显示之前,应对噪声和干扰信号进行很好的抑制。
脑电信号的预处理过程如图1所示。
本文主要设计了脑电信号采集过程中的滤波电路,包括低通滤波器、高通滤波器、50Hz 工频陷波器。
经过处理之后,可使脑电信号和噪声有效分离,以便进行A /D 转换。
图1 脑电信号预处理过程第18卷第1期 淮阴工学院学报 Vol .18No .12009年2月 Journal of Huaiyin I nstitute of Technol ogy Feb .2009 Multisi m 是加拿大图像交互技术公司(I nterac 2tive I m age Technoligics 简称II T 公司)推出的以W indo ws 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。
本文在Multisi m 软件平台上对设计的滤波电路进行了仿真,给出了仿真波形。
1 脑电滤波电路1.1 高通与低通滤波高通滤波主要是滤除电路中的直流成分,如:极化电压等,本设计中采用的是一阶无源高通滤波器,放在隔离级之后,主放大电路之前,来消除直流成分的干扰。
低通滤波器是用来通过低频信号、衰减或抑制高频信号。
设计中采用了相频特性较好的巴特沃斯压控电压源式电路(VCVS )。
为了使滤波特性更接近理想情况,使用了四阶低通滤波电路,由两个二阶滤波电路级串联而成,如图2所示。
图2 N IM ultisi m 的高通滤波和低通滤波仿真电路 高通滤波由R1、C1构成,其截止频率为:f =12πR 1C 1=0.05Hz(1)由于容抗1SC与信号频率f 成反比,高频段时容抗很小,电容串联时将给高频信号提供畅通之路,反之低频时容抗很大,电容串联时将使低频信号得到衰减和抑制。
R 2～R 5、C 2～C 5和U 1A 、U 1B 构成四阶低通滤波器,由于自发脑电信号的频率主要都在50Hz 以下,为此设计其截止频率为:f =12πR 2R 3C 2C 3=60Hz(2)在NIM ultisi m 软件平台上对低通滤波电路进行仿真,利用波特图仪得出仿真图形如下:图3 波特图仪仿真图形 由图可知该电路在大约200Hz 频率处的低通滤波器的增益近似等于-40dB ,通频带增益近似第1期 尹晓琦:基于M ultisi m 的脑电滤波电路的设计 43为1。
1.2 50Hz工频陷波器陷波器是利用压电效应制成的带阻滤波器,它的作用是阻止或滤掉信号中干扰成分在脑电信号的采集过程中,存在50Hz的工频干扰,虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制能力,但有部分工频干扰是以差模信号的方式进入电路的,对脑电信号造成严重的干扰,必须加以滤除。
消除工频干扰的方法是使用带阻滤波器,它能够使在规定的频带内,信号不能通过(或受到很大衰减或抑制),而在其余频率范围,信号则能顺利通过。
带阻滤波器又称陷波器。
利用双T网络和运算放大器构成的有源双T带阻滤波电路,是作为抑制脑电信号测量中的工频干扰而经常采用的陷波电路结构。
图4为本系统采用的有源双T网络陷波电路。
图4 N I M u ltisi m对50Hz陷波电路进行仿真 在图4所示的50Hz陷波电路中,陷波器的中心频率为:f=12πR1C1(3)陷波器参数的确定一方面通过计算,另一方面还要通过实验检测其滤波效果。
本设计中R1=R2=2R3=R,C1=C2=C3/2,根据公式(4)算得f为50.2Hz,实际测得陷波器的中心频率为50.4Hz,满足设计要求。
陷波器的品质因素Q,决定滤波器的选择性,高Q对应较窄的阻带而低Q对应较宽的阻带。
本设计中由于只要求衰减50Hz信号,其它频率尽量保留,因此需要提高Q值。
图4中放大器U1A将U1B的部分输出信号反馈到网络的纵臂,由于是正反馈,具有频率增强作用,所以可使阻带变窄,Q值提高。
Q值的计算公式为:Q=14(1-F)(4)式中F为电路反馈系数:F=R5R5+R4(5)选取R1=261K,R2=54.9K,根据公式(4)、(5)可得F=0.8,Q=1.25。
这种陷波器电路能有效地滤除50Hz工频产生的干扰,而且Q值的提高保证了有用信号不被衰减。
在图4中:R4=(1-F)R,R5=FRF值取值影响陷波电路的频带宽度。
F值越大,频率选择性越好。
但是F值太高,滤波器的性能不稳定,当元器件受温度等环境影响参数发生变化时,会使陷波点发生移动,工频干扰就得不到有效的抑制。
通常F取0.8左右。
此外双T网络中,两支路的R,C的对称程度决定陷波点的衰减能达到的最低限度。
只有保持R和C的严格对称关系,才能使对应于工频的信号互相抵消,衰减到零。
对于ω=50Hz,F=0.82,取C=10nF,则R=316K。
在N IMultisi m软件平台上对50Hz陷波电路进行仿真,采用波特图仪来分析滤波电路或电路44 淮阴工学院学报 2009年的频率特性,观测截止频率。
需要连接两路信号,一路是电路输入信号,另一路是电路输出信号,并且需要在电路的输入端接交流信号。
波特图仪控制面板分为Magnitude (幅值)或Phase (相位)的选择、Horiz ontal (横轴)设置、Verti 2cal (纵轴)设置、显示方式的其他控制信号,面板中的F 指的是终值,I 指的是初值。
在波特图仪的面板上,可以直接设置横轴和纵轴的坐标及其参数。
仿真图形如图5所示:图5 波特图仪仿真图形 由图可以很明显的看到在50Hz 左右出现陷波现象,由此可证该电路满足设计的要求。
2 结语脑电信号作为一种重要的生物电信号,在进行大脑疾病诊断的过程中需要对其进行记录,以提供临床数据和诊断的依据,因此脑电信号采集系统具有非常重要的临床意义。
对它的分析从上个世纪20年代到现在,由于脑电信号的背景噪声强而信号幅度微弱,一直有没有突破性的进展,存在许多问题未解决。
本设计通过高通、低通滤波器和50Hz 工频陷波器的合理设计与仿真实现,克服了脑电信号提取中常遇到的一些困难,为脑电信号处理及特征提取提供一定的理论参考和分析依据。
参考文献:[1]杨福生,吕扬生.生物医学信号的处理与识别[M ].天津:天津科技翻译出版公司,1997.[2]彭承琳.生物医学传感器原理及应用[M ].北京:高等教育出版社,2000.[3]李青.电路与电子技术教程[M ].北京:中国计量出版社,2001.[4]王保华.生物医学测量与仪器[M ].上海:复旦大学出版社,2002.[5]李明辉,刘连生,曲培树.基于虚拟仪器的自动测试系统的研究[J ].电子测试,2008,(3):37-42.[6]胡广书.数字信号处理[M ].北京:清华大学出版社,1997.(责任编辑:蒋 华)第1期 尹晓琦:基于Multisi m 的脑电滤波电路的设计 45。
