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用Multisim分析二阶低通滤波器电路

2018年02月06日 18:28 次阅读

MulTIsim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

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Y/T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还可以看出,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。

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 mV。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,也不能直观看出输入信号的频率对电路放大性能的影响,于是用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 MHz,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

从特性曲线可以看出,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Multisim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)。

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和Rf对电路性能的影响如下:C2,R2和R3的变小均会引起电路的截止频率增大和通频带变宽。而C2,R2和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和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应用于课堂教学,丰富了电子技术多媒体辅助教学的内容,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、实时交互性和高效性等功能特征,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和深度,为提高电子技术教学质量提供了又一个有效手段。

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高通滤波器是一种让某一频率以上的信号分量通过,而对该频率以下的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器...

发表于 2018-01-15 13:36 464次阅读
电容和电阻是如何组成高通滤波器?原理解析

数字低通滤波器的设计

本文主要介绍了数字低通滤波器的设计,数字滤波器有无限冲激响应(IIR)系统和有限冲激响应(FIR)系...

发表于 2018-01-14 15:16 457次阅读
数字低通滤波器的设计

低通滤波器参数怎么设置

本文主要介绍了低通滤波器参数怎么设置,低通滤波器是指车载功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通...

发表于 2018-01-14 15:01 707次阅读
低通滤波器参数怎么设置

实际滤波器的基本参数

本文主要介绍了实际滤波器的基本参数和滤波器的主要参数。理想滤波器是不存在的,在实际滤波器的幅频特性图...

发表于 2018-01-14 14:39 271次阅读
实际滤波器的基本参数

电源EMI滤波器基本原理及结构_电源滤波器性能参...

本文主要介绍了电源EMI滤波器基本原理及结构_电源滤波器性能参数以及滤波器的技术参数及正确使用。电源...

发表于 2018-01-12 16:09 698次阅读
电源EMI滤波器基本原理及结构_电源滤波器性能参...

电源滤波器怎么接线_电源滤波器接线图

本文主要介绍了电源滤波器怎么接线_电源滤波器接线图。电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路,又...

发表于 2018-01-12 15:22 1242次阅读
电源滤波器怎么接线_电源滤波器接线图

电源滤波器参数

电源滤波器是由滤波电感、电容组成的无源器件。它允许工频(50Hz、60Hz、400Hz)通过,而对电...

发表于 2018-01-12 10:40 434次阅读
电源滤波器参数

电源滤波器检验规范

电源滤波器一般都设计为只由电阻、电容及电感组成的被动滤波器,没有像晶体管之类的主动元件。右图是一个电...

发表于 2018-01-12 10:18 510次阅读
电源滤波器检验规范

电源滤波器分类及应用

电源滤波器就是对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电器设备。电源滤波器的功能就是...

发表于 2018-01-12 09:46 227次阅读
电源滤波器分类及应用

电源滤波器型号及选型

电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路,又名“电源EMI滤波器”,或是“EMI电源滤波器”,一...

发表于 2018-01-12 09:05 284次阅读
电源滤波器型号及选型

利用多级滤波器来消除开关电源转换器的输出噪声

开关电源几乎用于所有电子设备中。它们由于尺寸小、成本低和效率高而具有极高的价值。但是,它们最大的缺点...

发表于 2018-01-10 09:45 748次阅读
利用多级滤波器来消除开关电源转换器的输出噪声

滤波器发展与分类详解以及应用比例

1917年,美国和德国科学家分别发明了LC滤波器,次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪5...

发表于 2018-01-05 15:00 1205次阅读
滤波器发展与分类详解以及应用比例

提出一种方环形贴片滤波器结构 通过谐振器使滤波器...

提出了一种用阶梯型阻抗方形环谐振器构成的双模微带滤波器,该滤波器引入一个方形切角作为微扰,并采用输入...

发表于 2018-01-05 11:10 998次阅读
提出一种方环形贴片滤波器结构 通过谐振器使滤波器...

图像其实是一种波,可以用波的算法处理图像

前几天读到一篇文章,它提到图像其实是一种波,可以用波的算法处理图像。我顿时有一种醍醐灌顶的感觉,从没...

发表于 2018-01-05 10:44 1288次阅读
图像其实是一种波,可以用波的算法处理图像

滤波器介绍_滤波器的应用及讨论

随着信息时代数字时代的到来,数字滤波技术已经成为一门极其重要的学科和技术领域,滤波器应用范围十分广泛...

发表于 2018-01-04 17:09 364次阅读
滤波器介绍_滤波器的应用及讨论

为什么会有工频干扰_工频干扰产生原因及解决方案

工频干扰可通过设计滤波器来进行有效的减少。本文介绍减少工频干扰的平滑滤波器、陷波器、带阻滤波器三种滤...

发表于 2018-01-04 16:03 1934次阅读
为什么会有工频干扰_工频干扰产生原因及解决方案

有源滤波器和无源滤波器原理和区别

滤波器是一种对信号的频率具有选择性的电路,其功能就是使特定频率范围内的信号通过,而组织其它频率信号通...

发表于 2017-12-25 14:52 1724次阅读
有源滤波器和无源滤波器原理和区别

解析滤波器的原理和作用

滤波器是射频系统中必不可少的关键部件之一,主要是用来作频率选择----让需要的频率信号通过而反射不需...

发表于 2017-12-22 10:42 1155次阅读
解析滤波器的原理和作用

均衡器的作用是什么

均衡器的全称是房间均衡器。在音响系统中有广泛的应用,但大多数场合,它并没有发挥应有的作用。是一种可以...

发表于 2017-12-20 10:27 707次阅读
均衡器的作用是什么

canny算子的语法原理分析

Canny算子Canny边缘检测算子是JohnF.Canny于1986年开发出来的一个多级边缘检测算...

发表于 2017-12-18 17:55 162次阅读
canny算子的语法原理分析

多模介质波导滤波器的设计过程简介

本文旨在介绍一种简单的介质波导双模滤波器设计方法,用以指导滤波器工程师设计基站介质波导滤波器。随着通...

发表于 2017-12-13 17:19 126次阅读
多模介质波导滤波器的设计过程简介

社交媒体的7条优化性建议详解

作为一台功能丰富的国际通用手机,目前可能需要过滤最多15个频带上的2G、3G和4G收发通路,此外还有...

发表于 2017-12-13 16:32 123次阅读
社交媒体的7条优化性建议详解

Avago的FBAR技术更进一步,有助于超薄手机...

Avago Technologies(安华高科技)日前宣布,在美国PCS(个人通信服务)和UMTS(...

发表于 2017-12-13 14:25 93次阅读
Avago的FBAR技术更进一步,有助于超薄手机...

安规电容的工作原理

安规电容是指电容器失效后,不会导致电击,不危及人身安全的安全电容器。安规电容通常只用于抗干扰电路中的...

发表于 2017-12-12 15:45 396次阅读
安规电容的工作原理

RC 电路实现的一个低通电子滤波器设计及实例分析

低通滤波器实例 RC 电路实现的一个低通电子滤波器 一个固体屏障就是一个声波的低通滤波器。当另外一个...

发表于 2017-12-12 15:23 388次阅读
RC 电路实现的一个低通电子滤波器设计及实例分析

微带滤波器的设计与优化方案分析

微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号, 使其不能通过滤波器...

发表于 2017-12-12 07:51 232次阅读
微带滤波器的设计与优化方案分析

基于MATLAB的IIR滤波器设计与实现

由于电力系统中非线性电子元件的大量使用,使得谐波污染问题日益严重,当谐波含量超过一定限度时就可能对电...

发表于 2017-12-12 05:15 137次阅读
基于MATLAB的IIR滤波器设计与实现

FIR滤波器工作原理及实现过程介绍

在现代电子系统中,到处都可以看到数字信号处理( DSP )的应用,从MP3播放器、数码相机到手机。D...

发表于 2017-12-12 02:40 82次阅读
FIR滤波器工作原理及实现过程介绍

前端设计的电路要求和权衡因素详解

为SAR ADC选择合适的放大器和RC滤波器可能很困难,特别是当应用不同于ADC数据手册的常规用途时...

发表于 2017-12-11 18:14 1585次阅读
前端设计的电路要求和权衡因素详解