MULTISIM在带通滤波器设计中的应用

襄 职业技术学院学报 第9卷 第 l期 双月-flJ 2010年 {月 Multisim在带通滤波器设计中的应用 卢 贶， 宋 霞 (武汉软件工程职业学院，武汉 430205) 摘 要：以Multisim仿真软件为平台， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，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Muhisim软件电路仿真过程和效果。 关键词：Muhisim 电路仿真分析：带通滤波器 中图分类号：TM571．6 文献标识码：A 文章编号：1671-914X(2010)01—0019—04 在 电子设 计领 域 ，EDA设 计 和仿 真是 一个 十 分 重要 的设计 环节 。众多 的 EDA设计 和仿 真软 件 中 ， Muhisim 以其强大 的仿 真设计 应 用功 能 ，在各 高 校 电信类专业 电子 电路 的仿真 和设 计 中得到 了较广 泛 的应用 。Muhisim及 其相 关库 包 的应 用对 提高 科研 人 员 和学生 的仿 真设 计 能力 ，更 新设 计 理念 有 较 大 的帮助 。Muhisim软 件最 突 出 的特 点是 用 户界 面 友 好 ，各类器件 和集 成芯 片丰富 ，尤 其是其 直观 的虚 拟 仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 是 Muhisim2001的一 大特 色 。Muhisim所 包含 的虚拟仪 表有 ：示 波器 、万用表 、函数 发生器 、波特 图 图示 仪 、失 真度分 析仪 、频谱分 析仪 、逻 辑分 析仪 、网 络 分析仪等 。而通 常一 个普通 实验室是 无法 完全 提 供这 些设备 的 。这些仪 器 的使用 使仿 真分 析的操 作 更符 合平 时实验 的习惯 。 本文 以 Muhisim为仿 真设计 平 台 ，利用界 面直 观 的原 理 图设 计 工具 完成 电路 设计 ，并 使用 提供 的 各种 仿真 一起深 入分析 带通滤 波器 电路 。I 1 一 、带 通 滤 波 器 工作 原 理 带 通滤 波器是一 个 允许特定 频段 的波通过 同 时 屏蔽其他频段 的设备 。比如 RLC振 荡 回路就是 一个 模拟带通滤波器 。一个理想 的带通滤 波器应该有平稳 的通 带 (bandpass，允许 通 过 的频 带 )，同 时 限制所 有 通带外频率的波通过 。但是 实际上 ，没有真 正意义 的 理想带通滤波器 。真实 的滤波 器无法 完全过滤掉所设 计的通带之外的频率信号 ，在理想通带边界有一部分 频率衰 减 的区域 ，不 能完全 过滤 ，这一 曲线被称 做滚 降斜率(roll—off)。滚降斜率通常用 dB度量来 表示频率 的衰减程度 。一般情况下 ，滤波 器的设 计就是把这一 衰减区域做 的尽可能 的窄 ，以便该滤 波器能最大 限度 接近完美通带 的设计 。 带 通 滤 波 器 的 中心频 率 f0和带 宽 BW 之 间 的 关 系 为 ： f f Q= =7 (1) BW fH 一 ‘ 、／fH (2) 带通 滤波 器的 电路 形式 有很多 ，这里 以无限增 益多反馈环型滤波器为例 ，介绍带通滤波器 的设计 和仿真 过程 。图 1为无限增 益多反 馈环 型滤 波器 的 二环典 型 电路 。I21 图 1 多反馈二环滤波器典型电路 二 、有 源 滤 波 器 设计 步 骤 在设计 有源 滤波器 时 ，一般 的设计 步骤如 下 ： 1．根 据 传 递 函数设 计 ：根 据 对 滤波 器 特 性 的要 求 ，设计某种类型的 n阶传递函数，再将 n阶传递函 数分解为几个低阶(如一阶 、二阶或三阶)传递函数 乘 积的形 式 。 2．电路设 计 ：按各个 低 阶传递 函数 的设 计要 求 ， 收稿日期：2009-I I-24 作者简介：J 贶(1973一)，粥．湖北武汉人 离级 1 师．硕 { ．研究方阳：电 技术及 片机系统没计；宋霞(1979一)，女，湖北随州人 讲师，硕 l9 盟 羞；—童 设计 和计算有 源滤 波器 电路 的基本节 点 。首先选 择 电路 形式 ，再 根据所 设计 的传递 函数 ，设 计 和计算 相 应 的元件参数 值 。 3．电路 装 配和 调 试 ：先 设计 和装 配 好 各个 低 阶 滤波 器电路 ，再将各个 低 阶电路 级联起 来 ，组成 整个 滤波器 电路 。对整个 滤波 器 电路 进行相 应 的调整 和 性能测试 ，检 验设计 结果 。131 三 、理 论分 析 及 计 算 对 于 图 i所示 的多反 馈 二环 典 型 电路 ，可 以恰 当的选 择 的参 数 ，构成低 通 、高通 、带 通和带 阻 等 滤波 器 。只要 Y 的参 数 由如下 表达 式选 择 时 ，就 可 构成 带通滤波 器 。 Y 参 数 的表达式 如下 ： Yl= ，Y2= ，Y3_sc3，Y4= C Ys= ‘3) 将 以上各 表达式 代入 传递 函数 表达式 G(s)= = 嘉 这可 得 到 多 反 馈 环 型 带 通 滤 波 器 的传 递 函数 为 ： (4) 由(3)和(4)可组成 如 图 2所示 的多 环有源带 通 滤波 器 电路 。 此 多环有源 带通滤 波器 的特性 参数 如下 ： 巧1 (5) ∞ o= 砑 (6) 毫= 1=— — 1 R (悟 +悟 )(7) Q 瓣s 1 1 V c4。V c3 ⋯ 下 面 以 图 2所 示 的有 源 带通 滤波 器 电路 为 例 ， 说 明带 通滤波 器 的设 计步 骤 。 O) ∽ 图2 有源带通滤波器电路 1．设 计 条件 ：G0，考，(1)0，这里 ，设 定 Go=4，专=O．5，‘t)0= 2订×l0 (这 里 的 fo=l kHz )。 2．选择 参数 ：cFc =c (选择 一恰 当的参数 ，结 合 20 电路设 计 和工程要 求 ，选 取 luF的 电容 ) 3．设 计 计 算 ： Q= 1 (8) RI=丽 1 (9) (10) (11) 将 Go，C，考，【1)。的数 值 带 入 式 (8)至 式 (11)的 4 个公 式 中 ，可 得 ，Q=2，R。=79．618 Q，R2=79．618 Q， R5=639．94 Q，Cl和 C2为 1 uF。 又根据 (1)和(2)。可得 到如下 方程 组 ： J2 f 。2 【 103 = fHfL 0 解 出上 述 方 程组 ，可 得 到 ：fH=1．28078 kHz，fL= 780．78 Hz。 四 、电路 设 计 及 MuItl sim仿 真 分 析 (一)电路设计 根据 上 面的计 算结 果 ，可 知 电 阻 R 、R：、R 的阻 值不 是标 准 的电阻 阻值规格 ，根 据工 程实 际 ，实 际阻 值分 别取 为 R。=82 Q，R =82 Q，R =620 n，绘 制 出工 程实际电路仿真图，如图 3所示 。 图 3 实际仿真所搭建的有源带通滤波器电路 注意 ，由于 实际选 取 的电 阻阻值 和计算值 有一 定 的偏 差 ，将 工程 实 际值 带人 式 (5)至 式(7)中 ，可计 算 出 的 Go 、 、考分 别 为 GO=3．78，too=998．235 Hz，考= 0．5143。 (二)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 ，如 图 3电路 图 中的 XSC1，将 示 波器 的 A、B 端分别 连接 到 电路 的输 入端 与输 出端 ，再点击 仿真 按钮进行仿真 ，得到如图 4所示波形。Ill 图 4为输入 信号 频率 为 1KHz，幅度 为 1mV时 ， 由虚 拟示 波器测 试得 到 的二阶带 通 滤波 器电路输 入 输 出情况 。 图中横坐 标 为时间 ，纵坐 标 为电压幅度 。 一 去 nl在笸煎滤波堡 ±— 廛盟 选 择示波 器扫描 频率 为 500 us／div。纵轴每 格均代 表 2 mV，输 出方式 为 Y／1r方 式 。红色 为输入 信号 ，蓝 色 为输 出信 号 。 ⋯ ．～ ■■_ ‘- ●～ 一 啊_ 、 ± 一 { 一 滞 ～ 焉 * 13喀曩●重 羞■蠹酬嚼皇l毂恿l鱼～ 每} 蘸薅 r●硝 i ■¨ l 二阶带通滤波器 6 一 39m 3 ∞ 茸 l 6m 1 莓i 蓦 一 蓉 型 -2 9ta ．2 勇 d 《 ． 2ra ．jh ’ ． ， 2lim 6 n 92m }2●t lj6m 12． 时问(眇) ， ． 一 · 一 r 一 - ’ 一 图4 虚拟示波器显示波形 点击 “查 看记 录仪 ”工具 栏 中的 “ ”图标 ，会显 示 出虚拟示 波器两个 通道 的测量数 据 。 i／dx l／dy ∞1n y y 2．7679m 一 993．2O日5D 2．7679m 一 993．20BSD 0．0000 0 ．00OO O．OOOO 33．2928m - 3．789铀 3．782l瑚 O．0O0O 0．O000 图 5 虚拟不波器两个通道数据 很 显 然 ，从 图 4的示 波 器 波形 可 以看 出 ，输 出 信号 的频率 与输 入 信号 一致 ，说 明二 阶带 通滤 波 器 电路不会 改变信 号频率 。从 图 5通 道数据 中可 以发 现 ，在接 近 ∞。的频 率(1 kHz)附近 ，最大 的输 入和输 出 电压分别 为 999．8542 uV和 3．7821 mV (Uo )，两 者 相 除 ，可 以得 出通 带增 益 为 3．7827，与 计 算 值 相 吻合 。 调节 输入频 率保持 幅值不 变 ，使 之分别 为 1．35 kHz、1．24 kHz、1．1 kHz、900 Hz、760 Hz等几种不 同的 频率，通过 Muhisim仿真，可以得到如表 l的数据。 表 1不同输入信号频率时，输出电压和增益 输 入频牢 为 1．35 kHz和 760 Hz时 ，输 出 电 压 为 2．6755 mV和 2．6610 I11V，此 时输 出 电压最 接 近截 止 时 的输 出电压 U。 0．707 mV，Uo．：2．672 mV。 这说 明截止频 率分 别接近 760 Hz和 1．35 kHz。 通 过 以上的虚 拟示波器 分析 ，是很 难得 出截止 频率的准确值 ，也不能直观看出输入信号的频率对 电路放 大性 能的影 响 ，此 时可 采用 Muhisim 中 的波 特 图示 仪来 精确观 察 电路输 入输 出特性 。 (三 )波特图示仪 利用波 特 图仪 可 以方便 地测量 和显 示 电路 的频 率 响应 ，波 特 图仪 适合 于分 析滤 波 电路 或 电路 的频 率特 性 ，特别 易于 观察截止 频率 。阁在 Muhisim软 件 的虚 拟仪器 栏 中选 择波特 图示仪 ，如 图三 电路 图中 的 XBP1，将 波特 图示 仪 的 IN、OUT端分 别连 接到 电 路 的输入端 与输 出端 ，再 点击仿 真按钮 进行仿 真 ，得 到 如图 6所 示 的波 形 。 从 图 6的波特 图示 仪波形 可 以看 出 ，该 滤 波器 是 一个带 通滤波 器 的特 性 曲线 ，移动 光标 到 曲线 最 高点 ，可 以直接 测量 得 到此 时频 率为 1 kHz，幅度 为 l1．5507 dB。 截 止频率 (fH，fL)是 纵坐标从 最大 值 (1 1．5507 dB) 下 降 3 dB时所对应 的频率 ，即纵坐标为 8_5507 dB所 对 应 的频 率 ，从 特性 曲线上 可 以看 出符合 要求 的有 两 个节点。将图 6中左右两侧标 尺移 至 8．5507 dB附 近 ，选其 局部进 行放 大 ；再将该 标尺精 确移 至纵 坐标 为 8．5507 dB处 ，得到此 时 的横坐标数值有两个 ，分别 为 1．2884 kHz和 775．1410 Hz，这与理论计算得到的 1．28078 kHz。f~780．78 Hz基本 一致 。 五 、总 结 由 以上 分 析 可知 ，Muhisim 中的 仿 真分 析结 果 与理论 计算 结果 十分 接近 。Muhisim 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 。Muhisim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 实验 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 水半 。 Muhisim是⋯ 款 著名 的 电路 设计 ‘ 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 、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。[61 2l 知铀 细∞∞ 7 6 7 6 0 O 0 0 ∞跏撕扣∞∞ O 2 S S 0 0 趵¨¨∞ o 0 0 ，g：吕： 生 —重 参考文献： 【l】郭锁利．基于 Muhisim 9的电子系统设计、仿真与综合应用【M】．北京：人民邮电出版社，2008：56—87． 【2】李哲秀．模拟电子线路分析与Muhisim仿真【M】．北京：机械工业出版社，2008：37—73． 【3】孙怀东．开展电子技术虚拟实验的做法与体会【J1．实验室研究与探索，2006，25(10)：1265—1267． 【4】王智忠．EWB仿真实验在电工学课程理论教学中的应用【J】．实验技术与管理，2006，23(8)：91—94． 【5】郭勇．EDA技术基础【M】．北京：机械工业出版社，2007：51-52． 【6】白菊蓉，张宝军．Muhisim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． (责任编辑 ：张韶虹 ) The application of M ultisim to the band-pass filter circuit design LU Kuang ，SONG Xia2 (1．Wuhan Vocational College of Software and Engineeringt，Wuhan 430205，China； 2．Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China) Abstract：This paper mainly introduced the design of a band-pass filter circuit on the platform of the Multi- sim simulation software．The author alSO discussed the working charaeteristics of the band—pass filter circuit in detail and made the comparison between the theory and practice by using the virtual instrument components such as virtual oscilloscope and bode plotter．At the same time，the process of Muhisim circuit simulation software and effects were mentioned． Key words：Muhisim Circuit simulation and analysis band——pass filter 22