基于Multisim的四阶有源低通滤波器的设计与仿真

刘小群

【摘 要】滤波器用于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,有源滤波器被广泛用于信息处理、数据传送等电路中.在对二阶有源低通滤波器的原理进行分析的基础上,采用2个2阶低通滤波电路级联的方案,用查表法设计了基于巴特沃思逼近的4阶有源低通滤波器.在Multisim软件中使用虚拟示波器、波特图示仪等设备,对设计的滤波器的交流特性进行仿真,并对仿真结果进行了分析,其交流特性符合理论设计,具有一定的参考价值.%Filter is the circuit which has a selective for the frcquency of signals , its function is to make a specific range of frequency through. Source filter is widely used for information processing and data transmission circuit. Based on the analysis of principle of 2nd Source lowpassed filter, by using the Scheme of cascading two 2nd source low-passed filter and the method of examining the table,the 4nd source low-passed filter based on Butterworth is designed. By using the oscilloscope and Bode plotter in Multisim, the AC Features of this Filter was Simulated, and the simulation results were analyzed, it's AC features met with theory design and has certain reference value.

【期刊名称】《新技术新工艺》 【年(卷),期】2011(000)006 【总页数】3页(P34-36)

【关键词】有源低通滤波器;巴特沃斯;Multisim;波特图示仪 【作 者】刘小群

【作者单位】宝鸡文理学院物理与信息技术系,陕西宝鸡721016 【正文语种】中 文 【中图分类】TN713.8

滤波器用于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,而阻止其他频率的信号通过。有源滤波器具有设计标准化、模块化、易于制造等优点,因此被广泛用于信息处理、数据传送和抑制干扰等电路中。

Multisim是专门用于电子线路仿真的“虚拟电子工作台”软件,它界面形象直观,操作方便。既可进行电路设计,也可对所设计的电路进行各种功能模拟仿真试验。Multisim将电路图输入、SPICE仿真器、元器件库、仪表库集成并融合在一起,相当于一个设备先进、功能完备的大型电子实验室。本文详细介绍了4阶有源低通滤波器的设计方法,并用Multisim软件对其进行了瞬态分析和频率特性分析[1]。 1 基于Multisim的4阶有源低通滤波器的设计和仿真 1.1 4阶巴特沃思低通滤波器设计原理

滤波器的设计是根据给定的技术指标选定电路形式并确定电路的元器件。本文采用集成运放构成的RC有源滤波器,该设计要求截止频率为1 kHz,4阶有源低通滤波器可以由2个2阶低通滤波器级联组成。

先设计4阶巴特沃思低通滤波器的传递函数,用2个2阶巴特沃思低通滤波器构成1个4阶巴特沃思低通滤波器,其传递函数为:

为了简化计算,其参数满足如下条件:

选取 C=0.1 μ F,可算得 R=1.6 kΩ。

查表得4阶巴特沃思低通滤波器2个阻尼系数为 :ξ1=0.765,ξ2=1.848,由此算得 2 个零频增益为:

则传递函数为:

可选2个2阶巴特沃思低通滤波器级联组成。第1级增益为:

若选取Rf 1=12.35 kΩ,则 Ri1=10 kΩ。 第2级增益为:

若选取Rf 2=15.2 kΩ,则 Ri2=100 kΩ。4阶巴特沃思低通滤波器电路如图1所示。 图1 实际仿真所搭建的4阶有源低通滤波器电路 1.2 仿真结果分析 1)瞬态特性分析

图2 fi=200 Hz,Vi=1 V时示波器观察的结果 图3 f i=10 kHz,V i=1 V时示波器观察的结果

当输入信号为1 V、200 Hz时,输入、输出波形如图2所示,幅值放大了2.6倍;把信号频率调整到10 kHz,发现图3中波形不仅幅值已经明显衰减,相位也发生变化,可明显看出该滤波对大于截止频率的信号有较强的抑制作用[2]。 2)频率特性分析

由于电路的输入小信号幅值是1 V,经滤波器放大了2.6倍,对应对数坐标为8.215

dB,减去3 dB即是对应的截止频率,故在波特图仪上对应截止频率的纵坐标应是5.215 dB。观察图4可得,该滤波器的截止频率约为1.002 kHz,与理论计算值相符。当频率调整到10.024 kHz时,如图5所示,对应纵坐标约等于-72.052 dB,可见该滤波器可有效衰减高频信号,具有良好的滤波特性。

将图1中的电阻 R3、R4由1.6 kΩ换为 1 kΩ时 ,由于所以此时对应的截止频率约为1.5 kHz,如图6所示。 2 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既是一个专门用于电子电路设计与仿真的软件,又是一个非常优秀的电子技术教学工具。Multisim提供了丰富的虚拟仪器,可以在不增加很大成本的基础上,形成虚拟试验和虚拟实验室,提高电子技术教学的质量。如果能广泛应用到课堂教学中,可以大幅提高教学水平。

Multisim是一款著名的电路设计与仿真软件,它不需要真实电路环境的介入,具有仿真速度快、精度高、准确和形象等优点,丰富了电子技术教学方法,为提高电子课程教学质量提供了有效保证[3]。 参考文献

[1]李端,艾永乐.基于Multismi的二阶有源滤波器的研究[J].北京电子科技学院学报,2009,17(2):12-16.

[2]熊伟,侯传教,梁青,等.Multisim7电路设计及仿真应用[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]白菊蓉,张宝军.Multisim应用于电路分析实验教学的研究[J].西安邮电学院学报,2006,11(1):123-125.