壓控電壓源二階模擬濾波器的設計與仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電子技術課程設計題目：壓控電壓源二階模擬濾波器的設計與仿真 學 院 計算機與通信工程學院專 業(yè) 通信工程 學 號 姓 名 指導老師 壓控電壓源二階模擬濾波器的設計與仿真 (天津理工大學計算機與通信工程學院)摘要：本文詳細介紹了壓控電壓源二階模擬濾波器的設計方法，給出了低通，高通，帶通，帶阻的通用表達式。同時，利用了Multisim12軟件進行了各類濾波器的仿真設計，仿真結果與計算結果一致，為有源濾波器的設計提供了EDA手段和依據(jù)。關鍵詞：二階；模擬濾波器；Multisim12；仿真Design and Simulate of Analog Filter of Seco

2、nd-order Voltage-controlled Voltage Source (Computer and Communication College of Tianjin University of Technology)Abstract: This paper detail describes the design of Analog Filter of Second-order Voltage-controlled Voltage Sourceand gives the general expressions of low-pass, high-pass, band-pass an

3、d band-elimation.As well, we use Multisim12 software to simulate all kinds of filter to get the results which are same as the consequences by calculation.Key words: second-order; analog filter; Multisim12; simulation目錄一 前言4二 課題的目的和意義.4三 濾波器簡介.4四 二階壓控電壓源的原理及設計5（一） 綜述5（二） 低通濾波器.6（三） 高通濾波器.7（四） 帶通濾波器.8

4、（五） 帶阻濾波器9五 Multisim的仿真設計及結果分析.10（一） 二階有源低通濾波器.10（二） 二階有源高通濾波器.13（三） 二階有源帶通濾波器.16（四） 二階有源帶阻濾波器.20收獲和體會.23參考文獻.24致謝.25一 前言課程設計模電題目-壓控電壓源二階模擬濾波器的設計與仿真。本題目要求對于已知的二階模擬濾波器進行軟件設計與仿真，分別實現(xiàn)三種類型帶通、低通、高通，要求畫出其頻響曲線和失真曲線。此次實驗我們組在原有基礎上增加了帶阻的設計實現(xiàn)，并以帶通濾波器為例詳細給出仿真數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)。二 課題目的和意義濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置。我

5、們根據(jù)頻率范圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻等四種濾波器。具有理想特性的濾波器是很難實現(xiàn)的，只能逼近理想特性。常用的逼近方法有巴特沃斯響應和切比雪夫響應等，前者通帶內(nèi)頻率響應平坦，后者通帶內(nèi)有紋波現(xiàn)象。有關二階壓控電壓源低通濾波器的設計在許多文章中都有介紹，主要方法有查表法、圖示法等。但此類方法存在一些不足，查表法、圖示法只能取到一部分值不能滿足普遍情況的需要；還有些設計是將R1和R2取一樣的阻值，計算匹配電容，而這樣特定的電容比較難找到，要特制這樣的電容花費的時間較長、代價較高，精度也難以保證。并且查表法、圖示法沒有給出通用表達式，設計者不明白其取值的根據(jù)，更不適合學習。本文以二階壓控電壓

6、源濾波器設計為例，進行詳細討論，并通過Multisim對理論分析所得結果進行仿真，得到有力的論證。三 濾波器簡介濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路，一種無源雙向網(wǎng)絡，它的一端是電源，另一端是負載。電源濾波器的原理就是一種阻抗適配網(wǎng)絡：電源濾波器輸入、輸出側與電源和負載側的阻抗適配越大，對電磁干擾的衰減就越有效。濾波器有多種分類方式：按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲；高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量；帶通濾波器：它允許一定頻段

7、的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲；帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。無源濾波器：僅由無源元件組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。這類濾波器的優(yōu)點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。有源濾波器：由無源元件和有源器件組成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小

8、，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽；缺點是：通帶范圍受有源器件的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。本次實驗采用的是有源模擬濾波器，優(yōu)點在于其易于實現(xiàn)，適合于本科層面學生學習。四 二階壓控電壓源的原理及設計（一） 綜述根據(jù)基爾霍夫定律，則由圖一可得關系式：(vi-v1)Y1=(v1-vo)Y2+(v1-v2)Y3v1-v2Y3= v2Y4AF=1+RFRrv2= v0AF圖1.二階壓控電壓源濾波器原型（二） 低通濾波器二階壓控電壓源低通濾波器如圖2所示。二階低通濾波器通帶增益Aup：Aup=1+R

9、FRr截止頻率是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率fo：fo= 12RC品質(zhì)因數(shù)Q的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性形狀：Q= 13-Aup當2<Aup<3時，Q>1，在f=fo處的電壓增益將大于Aup，幅頻特性在f=fo處將抬高。當Aup>=3時，Q=，有源濾波器自激。圖2.二階低通濾波器（三） 高通濾波器二階壓控電壓源高通濾波器如圖3所示圖3.二階高通濾波器與低通濾波器相反，高通濾波器用來通過高頻信號，衰減或抑制低頻信號。因為高通濾波器與低通濾波器具有對偶性，所以只要將圖2中的電阻和電容互換，即可變?yōu)槎A高通濾波器。通帶放大倍數(shù)Aup=1+ RfRr截止頻率f

10、p= 12RC品質(zhì)因數(shù)Q=abs(13-Aup)（四） 帶通濾波器帶通濾波器只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制，注意：要將高通的下限截止頻率設置為小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。典型的低通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級改為高通實現(xiàn)，如圖4所示。圖4.帶通濾波器比例系數(shù)Auf=1+ RfRr令中心頻率f0= 12RC則通帶放大倍數(shù)Aup:Aup= Aufabs(3-Auf)通帶截止頻率：fp1= f023-Auf2+4-(3-Auf)fp2= f023-Auf2+4+3-Auf因此，通頻帶fbw=fp2-fp1=ab

11、s3-Auff0= f0Q（五）帶阻濾波器將輸入電壓同時作用于低通濾波器和高通濾波器，再將兩個電路的輸出電壓求和，就可以得到帶阻濾波器，如圖5所示。圖5.二階帶阻濾波器其中低通濾波器的截止頻率fp1應小于高通濾波器的截止頻率fp2，因此，電路的阻帶為（fp2 -fp1）。實用電路常用無源LPF和HPF并聯(lián)構成無源帶阻濾波電路，然后接同向比例運算電路。通帶放大倍數(shù)Aup=1+RfRr令中心頻率f0=12RC通帶截止頻率fp1=2-Aup2+1-(2-Aup)fofp2=2-Aup2+1+(2-Aup)fo阻帶帶寬BW=fp2-fp1=2*abs2-Aupfo=foQ其中品質(zhì)因數(shù)Q=12*abs(

12、2-Aup)五 Multisim的仿真設計及結果分析（一） 二階壓控電壓源低通濾波器實際設計的壓控電壓源低通濾波器如圖6所示圖6.二階低通濾波器電路圖啟動仿真按鈕，用虛擬示波器測得的輸入輸出波形如圖7所示。圖7.用虛擬示波器得到的輸入輸出波形從圖7中可以看出,當輸入信號的頻率較大(例如200kHz)時,輸出信號的幅值明顯小于輸入信號的幅值,而低頻情況下的電壓放大倍數(shù)Aup=2。顯然,當輸入信號的頻率較大時,電路的放大作用已不理想。在仿真條件下，點擊XBP，可以得到該低通濾波器的頻譜圖，如圖8所示。圖8.用虛擬頻譜儀得到的幅頻特性曲線可以測得其3dB截止頻率為10KHz左右，和計算結果相符合。關

13、閉仿真按鍵，在主菜單欄中，選擇Simulate/Analysis/AC analysis-命令，在出現(xiàn)的對話框中進行如下設置：Frequency parameters設置Start frequency為1Hz，設置Stop frequency為10GHz（默認值），Sweep type（掃描方式）為Decade（10倍程掃描），Number of points per decade 設為10，vertical scale（垂直掃描）選擇Decibel(dB)。在Output選項卡中選擇add v(5)。單擊Simulate按鈕即可進行仿真分析，分析結果如圖9所示。圖9.二階低通濾波器幅度相位譜

14、（二） 二階壓控電壓源高通濾波器實際設計的壓控電壓源低通濾波器如圖10所示圖10.二階高通濾波器電路圖依照二階有源低通濾波器的設置，可以依次得到其輸入輸出波形（如圖11），圖11.用虛擬示波器得到的輸入輸出波形幅頻特性曲線（如圖12），AC Analysis掃描曲線（如圖13）。圖12.用虛擬頻譜儀得到的幅頻特性曲線圖13高通濾波器幅度相位頻譜圖將設定的數(shù)值帶入公式可得仿真結果與計算結果一致。驗證了其正確性。（三） 二階壓控電壓源帶通濾波器帶通濾波器在Multisim中的電路連接圖如圖14所示。圖14.二階帶通濾波器電路圖如圖所示，為便于計算，取R1=R5=10K，R2=2R1=20K，R3（

15、Rf）=10K，R4（Rr）=10K，C1=C2=10nF。帶入公式：比例系數(shù)Auf=1+ RfRr=2通帶放大倍數(shù)Aup= Aufabs(3-Auf)=2電壓放大倍數(shù)在中心頻率處等于通帶放大倍數(shù)Au=Aup=2中心頻率f0= 12RC=1.592KHz則下限截止頻率fp1和上限截止頻率fp2分別為fp1= f023-Auf2+4-3-Auf=0.98KHzfp2= f023-Auf2+4+3-Auf=2.56KHz點擊仿真按鈕后點擊XSC，可以得到波形圖如圖15所示。圖15.高通濾波器波形圖可以觀察到，中心頻率處電壓放大倍數(shù)約為2。而后點擊XBP，可以得到頻譜圖如圖16所示。圖16.中心頻率

16、可以讀出其中心頻率為1.557KHz，由于仿真中存在取值誤差，故可以認為其中心頻率滿足計算結果。其上下限截止頻率分別見圖17和圖18。圖17.下限截止頻率圖18.上限截止頻率由中心頻率時的增益6.01dB-3dB可以分別得到兩個邊頻的增益，在頻譜圖上讀出此時的頻率，分別為0.997KHz和2.57KHz。同樣考慮誤差，則可認為其滿足計算結果要求。因此可以得出結論仿真數(shù)據(jù)和理論計算相一致。為了更好的觀察其帶通濾波器的頻譜圖形，利用AC Analysis功能進行頻域更寬的仿真，如圖19所示?？梢钥吹剑浞l特性曲線為一帶通曲線。圖19.帶通濾波器幅度相位頻譜圖（四） 二階壓控電壓源帶阻濾波器帶阻濾

17、波器在Multisim中的電路連接圖如圖20所示。圖20.帶阻濾波器電路圖依照二階有源低通濾波器的設置，可以依次得到其輸入輸出波形（圖21），圖21.用虛擬示波器得到的輸入輸出波形幅頻特性曲線（如圖22），AC Analysis掃描曲線（如圖23）。圖22.用虛擬頻譜儀得到的幅頻特性曲線圖23.帶阻濾波器幅度相位頻譜圖將設定的數(shù)值帶入公式可得仿真結果與計算結果一致。驗證了其正確性。收獲和體會1. 濾波電路有很多種，本文僅以壓控電壓源二階模擬有源濾波器為例進行了仿真，其他濾波器的仿真與此類同。2. 本文的重點是仿真分析過程，隨著電路難度的增加，需要我們具備必要的相關電路理論知識，這樣才能理解電路仿真的意義。3. 運算放大器種類繁多，功能強大，性能穩(wěn)定，適合組成多種電路，相對于分立元器件，調(diào)試也較為簡單。實際應用時，需要查閱更多的資料，多了解各種運算放大器電路的組成，再結合本文介紹的仿真分析方法，才能起到舉一反三的作用。參考文獻1. 童詩白