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1、引言滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，常用于 信号 处理、数据传输和干扰抑制等方面，有源低通滤波电路由集成运放和无源元件电 阻和电容构成。它的功能是允许从零到某个截止频率的信号无衰减地通过，而对其他频 率的信号有抑制作用。有源低通滤波电路可以用来滤除高频干扰信号。 1但对于滤波 器设计的综合技术，由于其网络元件参数的实际选择和调试的困难，采用普通实验设计 方法不仅解决不了上述问题，还花费大量时间和设计成本，以至于设计出的产品价格昂 贵，电路噪声大等质量问题也不尽人意。因此，对有源低通滤波器的设计新方法探讨， 仍有积极的实际意义。2 随着集成运放的广泛应用,有源滤
2、波器的应用更为广泛 ,因 此有源滤波器性能的分析和电路设计就成为一个核心问题 , 本文采用了先进的 Multisim 8 仿真软件和归一化方法结合设计出有源低通滤波器的电路，并对其性能进 行分析和实验现象进行仿真研究。1 Multisim 8 仿真软件特点简介Multisim 8 是早期的 Electronic Worbench(EWB) 的升级换代的产品。早期的 EWB与Multisim 8在功能上不能同日而语Multisim 8提供了功能更强大的电子仿 真设计界面，能 进行射频、PSPICE、VHEDL、MCU等方面的仿真。Multisim 8提供了 更为方便的电路图和文件管理功能。更重要
3、的是， Multisim 8 使电路原理图的仿真与 完成 PCB 设计的 Ultiboard10 仿真软件结合起来一起构成新一代的 EWB 软件，使电 子线路的仿真与PCB的制作更为高效。通过将Multisim 8电路仿真软件和LabVIEW 测量软件相集成，需要设计制作自定义 PCB 的工程师能够非常方便地比较仿真数据和真 实数据，规避设计上的反复，减少原型错误并缩短产品上市的时间。熟练掌握 Multisim 8 电路仿真软件已成为当今电子电路分析和设计人员所必需具备的基本技能之一。2 有源低通滤波电路基本原理2.1 有源低通滤波电路基本概念滤波电路的作用就是允许某段频率范围内的信号通过，而
4、阻止或削弱其他频率范围 的信号。有源滤波电路由电阻、电容和集成运算放大器组成，又称为有源滤波器。有源 滤波器能 够在滤波的同时还能对信号起放大作用，这是无源滤波无法做到的。根据滤 波电路通过或者 阻止信号频率范围不同，可将滤波电路分为低通、高通、带通河带阻 电路。本文讨论的是有源低通滤波电路的设计与仿真研究。有源低通滤波电路能够通过 低频信号，抑制或衰减高频信号。2.2 有源低通滤波电路的组成和实验原理二阶压控电压源低通滤波电路由两个 RC 环节和同相比例放大电路构成，电路如图 所示。其通带电压放大倍数即为同相比例放大电路的放大倍数：其传递函数：其中： Wo=1/RC如=也” + S+O）2
5、Q 截止角频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。1品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。10p uJ有源低通滤波电路的幅频特性曲线:当信号频率大于截止频率时信号的衰减率只有20dB/十倍频。而且在截 J 1氐通滤波电路衰减可以达到40dB/倍可以得到，有用信号也受到衰减。/阶压控有源低通滤波电路衰减可以达至U 40dB/倍 匸截止频率附近：有用信号可以得到一定提升。如果Q =0.707时，滤波器的不同Q 通过分析思知：止频率附近频。而且在._幅频特性最为平坦；如果Q 0.707时,幅频特性将出现峰值。因此，我们后面要用到巴 特沃斯归一化方法设计电路图参数。2.3
6、有源低通滤波器的运放运算放大器是目前应用最广泛的一种器件，虽然各中不同的运放结构不同，但对于 外部电路而言，其特性都是一样的。运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入 级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路（抑制电源），中间级一般 采用有源负载的共射负载电路（提高放大倍数），输出级一般采用互补对称输出级电路 （提高电路驱动负载的能力）。运算放大器的性能指标包括5个，开环差模电压放大倍数，最大输出电压，差模输 入电阻，输出电阻，共模抑制比CMRR。（开环差模放大倍数是指集成运放在无外加反馈 回路的情况下的差模电压的放大倍数。最大输出电压是指它是指一定电压下，集成运放 的最大不失
7、真输出电压的峰-峰值。差模输入电阻的大小反映了集成运放输入端向差模 输入信号源索取电流的大小。要求它愈大愈好。输出电阻的大小反映了集成运放在小信 号输出时的负载能力。共模抑制比放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义 同差动放大电路。CMRR越大越好。）实际是有要求的。首先运放的输入阻抗要足够大，以免输入阻抗对电路中的实际电 阻产生过大的影响。其次运放的开环增益AV0要足够大。但由于这些条件非常容易满 足，因此在设计有源二阶低通滤波器时，不考虑。但在仿真时，不同的运放对滤波器的 指标还是有影响的。本次设计所用的运放芯片为NE5532,其指标如下：放大器数目：2，运放类型:低噪 声，-3d
8、B带宽增益乘积：10MHz ,变化斜率:9V/Us ,电源电压 最小:3V，电源电压最 大:22V，表面安装器件:表面安装，封装类型:SOIC。实验时所用的电源电压为12V。 针脚数：8，工作温度范围:0C to +70C，器件标号:5532，增益带宽：10MHz，工2 作温度最低：0C，工作温度最高：70C，放大器类型:Op Amp ,输入偏移电压最 大：4mV，运放特点：Low Noise3 电子电路设计的一般方法3.1 模拟电子电路的设计流程图术指标和性能指标，他可包括在通带、阻带上的幅度要求，相虑波器3.2（1）提出有源位要（2）（3）（4） 足所有要求的电路； （6）对选出的电路进行
9、优化。求及其他需要的特性； 寻找合适的传递函数； 用实际电路实现传递函数，通常有多种电路可实现该传递函数； 对所得各个电路进行各种性能分析，如容差分析，灵敏度分析； （5）选出能满3.3 巴特沃斯归一化设计电路参数3.3.1 巴特沃斯归一化传递函数的分母表農L归化的巴特沃斯低通滤波器低递两数的汁母多鬥丈III 1 一化的巴特氷期低通滤波器传递函数的分対多丁 Ji式1U +12SL + 血一 + 13： +S1 + 1) (J/ +1)4(sl + 0.7653 -h 1)心；十 1.8477毎 + 1)看債：+0.6180 +1)+I.61K0A； +1)+1)6(屛 +0.51764 +1)
10、-(6； + 妞丄 +1)心；+1.9318S. +1)7+0.4450 +1)( +.24691iL +I)-(a； + LK0 194, +1)( +1)(si +03901&Z +1)(j； + 1.111 】4 +1)心：+13294】十 1)心：+ 1.96 15也 +1)3.3.2 参数的设计设计一个有源二阶低通滤波器，指标为 截止频率 Fc=1kHZ;通带电压放大倍数：Auo=2;T4在 F=10Fc 时，要求幅度衰减大于 30dB 。 由图可得将上如我归-化传递函蹄分辭顼式碍W通带内的电M放人借数:滤波器门截止角频率：I I = = 2?tf - 2zr x O为了减少输入偏置
11、电流及其漂移对电路的影响，应使：R1+R2=R3/R4综合以上等式可以求出： C1=C2=C=10/Fc(uF)=0.01Uf,亍=I L26xlO3fit(T x72xO.OIx10L6尺=2tt x=QC =靳只 10*0,01x1 呼=225 2x100出=A; (A,十) = 2x(! 1.26+22.52)x Eft =67.56x10&右呼皿叽4 应用 Multisim 8 仿真软件对有源低通滤波电路的设计与仿真分析4.1 有源二阶低通滤波器的仿真1DnF3INQ：R3 :AVv68 kQxsciMEE NE5532PC1 WiiF：R2 ： -_Wv W Wv:68 kO?UIB
12、el Trig输入输出波形Time200.743 ms2D 1.746 msChannel_A1.945 V -1.944VChannel_Ei721.613 mV-716.588 mVT2-T11.002 ms3.888 V-1.438 VReverseSave Ext. TriggerL幅频特性曲线相频特性曲线4.2 实验数据与结论分析Fc=1kHZ;Af=2;f=10fc 时，幅度衰减大于 30dB;分析:有源二阶低通滤波器高频段发生衰减时其曲线的斜率比较小，衰减的程度比较缓 慢。因此，可以滤除高频成分。由图可知，二阶有源低通滤波电路的输出波形滞后于输入波形。测量输入波形和输出波 形的幅
13、值分别是1.438V和3.888V，计算得到电压放大倍数为2。二阶有源低通滤波电路根据计算可得：二阶有源低通滤波电路以 -40dB/10 倍频的幅度 下降。它与一阶有源低通滤波电路频率特性相较可以看出，转折区更陡峭，即特性更理 想。4.3 实验板的测得数据 通过计算的数据很精确，但做板子时只能选用 R1=11K,R2=22K,R3=R4=68K.C1=C2=10NF,芯片采用 NE5532.测得数据：输入 Vi=1v10hz 的信号，输出 Vo=1.122v。在 0.707Vo=0.793254v 时，f=366.03hz. 计算 A=Vo/Vi=1.122, Fc=2f=732.06hz.分析: 实验板的测量与仿真结果有差别，增益不到2，可能是因为运放芯片的选择，或实 验仪器的误差。殳:际阻带一(a)低通附录(b)高通
