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2、isim 的有源滤波电路的设计 摘要：滤波器是一种能够滤除不需要频率的分量、保留有用频率分量的电路。工程 ： 上常用于信号处理、数据传输和抑制干扰等方面。利用运算放大器和无源器件（R、 L、C）构成有源滤波器具有一定的电压放大和输出缓冲作用。按滤除频率分量的范 围来分，有源滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。 本文介绍了有源滤波器的具体功能及特点，并利用 Multisim7 软件完成有源滤波电 路的设计。 关键词：有源滤波器 Multisim7 幅频响应 毕业设计(论文) 毕业设计(论文)外文摘要 2 Active filter circuit based on Mul
3、tisim Abstract: Filter is to filter out frequency components do not need and to : retain a useful frequency components of the circuit. Projects commonly used in signal processing, data transmission and suppressing interference and so on. The active filter constituted by using operational amplifiers
4、and passive components (R, L, C) has certain effect of voltage amplification and output buffer. Frequency components by filtering the range to points, active filter can be divided into low-pass filter, high pass filter, band pass and band stop filter. This article describes the specific functions an
5、d characteristics of active filter, and uses Multisim7 software to complete the design of active filter circuit. keywords: : Active Filter Multisim7 frequency response 目录 1 引言 3 2 电路模拟过程 3 有源滤波电路的设计 3.1 低通滤波器 3.2 高通滤波器 3.3 窄带带通滤波器 3.4 带阻滤波器 3.5 利用 Multisim 7 中的 Filter Wizard 设计滤波器 4 Multisim 7 软件 4.
6、1 Multisim 7 软件概述 结论 致谢 参考文献 1 引言 4 有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能 够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。 顾名思义该装置需要提 供电源，其应用可克服 LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传 统的只能固定补偿） ，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。 有源滤波器的通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应 不明显， 多级相联时相互影响很小， 利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器， 并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件） ；但是通带 范围受有源器件(如
7、集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性 不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。 2 电路模拟过程 新建设计项目 电路图的生成 交流分析 否 优化设计 满足设计结果 完成 图 3-1 电路模拟过程 （1）新建设计项目 打开 Multisim 7 软件，新建一个空白页。 （2）电路图的生成 项目名确定后，就应该在电路图绘制软件环境下，以人机交互方式将用户确 定的电路设计方案以电路原理图形式送入计算机。 （3）交流分析 5 生成电路图后， 需根据电路设计任务确定要分析的电路特性类型并设置与分 析有关的参数。启动仿真后，根据幅频响应适当微调参数，移动幅频特性指针读 取该滤波
8、器的频率。 （4）优化设计 在电路模拟过程中，如果电路设计方案不合适、电路图生成中出现差错或分 析参数设置不当，都会导致 Multisim 7 因检测出错而不能正常运行或出现运行 结果不满足设计要求的情况。这时应分析问题所在，确定应修改电路设计还是要 纠正电路图生成中的错误或重新设置分析参数。然后再从上述第 2 阶段或第 3 阶段开始，进行新一轮的设计模块过程。有时需要经过几个循环的设计模拟才能 得到满足要求的电路设计。为了尽快纠正电路模拟中的错误，用户查阅相关文件 中的信息内容，也可以在幅频响应分析窗口中分析错误信息。 （5）完成 经过上述几个阶段， 得到符合要求的电路设计后， 就可以输出全
9、套电路图纸， 包括各种设计报表（如元器件清单、电路图纸层次结构表等），完成电路设计。 3 有源滤波电路的分析 滤波器特性可以用其频率响应来描述，按其特性的不同，可以分为低通滤波 器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器等。 用来说明滤波器性能的技术指标主要有：中心频率 f0，即工作频带的中心； 带宽 BW；通带衰减，即通带内的最大衰减；阻带衰减。 对于实际滤波器而言， 考虑到实际的组成元件的品质因数的取值是一有限值 （因为受限于材料与工艺的水平） ，所以所有工程上的实用滤波器都是有损滤波 器，因此对于这些滤波器还应考虑通带内的最小插入衰减。 3.1 低通滤波器 现代滤波器设计，多是采用滤波器变换
10、的方法加以实现。主要是通过对低通 原型滤波器进行频率变换与阻抗变换，来得到新的目标滤波器。理想的低通滤波 器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过， 而所有高于截止频率的信号都应 该被无限的衰减，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也称为矩形滤波器。遗 憾的是，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波 器的特性而已。根据所选的逼近函数的不同，可以得到不同的响应。 6 3.1.1 一阶有源低通滤波器 一阶低通滤波电路由简单 RC 网络和运放构成，该电路具有滤波功能还有放 大作用，带负载能力较强。如图 3-1 所示为一阶有源低通滤波器，电路的截止频 率： fn = 1 1 =
11、= 15.92kHZ 3 2R1C1 2 10 10 ? 1000 10 ?12 F 图 3-1 一阶有源低通滤波器 在交流分析对话框中，合理设置参数，启动仿真后，一阶有源低通滤波电路 的幅频响应如图 3-2 所示。由幅频特性指针读取该低通滤波器的截止频率，与理 论计算基本相符。 图 3-2 一阶有源低通滤波器的幅频响应 3.1.2 二阶有源低通滤波器 一阶有源低通滤波电路简单，幅频特性衰减斜率只有-20dB十倍频程，因 此，在 fo 处附近选择性差，希望衰减斜率越陡越好，只有增加滤波器的阶数来 实现。阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器。如图 3-3 所示为二阶有源低 7 通滤波器，电路的
12、截止频率： 1 1 = = 498 Hz 3 2RC 2 6.8 10 ? 47 10 ?9 F C = C1 = C 2 R = R1 = R2 fn = 图 3-3 二阶有源低通滤波器 在交流分析对话框中，合理设置参数，启动仿真后，二阶有源低通滤波电路 的幅频响应如图 3-4 所示。由幅频特性指针读取该低通滤波器的截止频率，与理 论计算基本相符。 图 3-4 二阶有源低通滤波器的幅频响应 3.2 高通滤波器 3.2.1 一阶有源高通滤波器 将低通滤波器中元件 R、C 的位置互换后，电路变为高通滤波器。一阶高通 滤波器的缺点是：阻带特性衰减太慢，为dB10oct，所以这种电路只适用于 对滤波
13、特性要求不高的场合。图 3-5 为一阶有源高通滤波器，电路的截止频率： 8 fn = 1 1 = = 7.96kHz 3 2RC 2 20 10 ? 1 10 ?9 F 图 3-5 一阶有源高通滤波器 在交流分析对话框中，合理设置参数，启动仿真后，一阶有源高通滤波电路 的幅频响应如图 3-6 所示。由幅频特性指针读取该滤波器的截止频率，与理论计 算基本相符。 图 3-6 一阶有源高通滤波器的幅频响应 3.2.2 二阶有源高通滤波器 二阶有源高通滤波器的阻带衰减特性的斜率为 40dB10oct，克服了一阶高 通滤波器阻带衰减太慢的缺点。与二阶低通滤波器类似，二阶高通滤波器的各个 参数也影响其滤波
14、特性，如：阻尼系数 f 的大小决定了幅频特性有无峰值，或谐 振峰的高低。如图 3-7 所示为二阶有源高通滤波器，电路的截止频率： fn = 1 = 1kHz (C = C1 = C 2 ，R = R1 = R2 ) 2RC 9 图 3-7 二阶有源高通滤波器 在交流分析对话框中，合理设置参数，启动仿真后，二阶有源高通滤波电路 的幅频响应如图 3-8 所示。由幅频特性指针读取该滤波器的截止频率，与理论计 算基本相符。 图 3-8 二阶有源高通滤波器的幅频响应 3.3 窄带带通滤波器 窄带带通滤波器的上限截止频率与下限截止频率的比近似为 2 或者更小， 因 此不能被分为单独的低通和高通滤波器来实现
15、。 当上限截止频率与下限截止频率 的比减小时，中心频率处的衰减将增加；当上限截止频率与下限截止频率的比接 近于 1 时，滤波器有更大的抑制作用。图 3-9 为窄带带通滤波器电路，该电路的 中心频率： 1 1 1 1 = = 1.067 kHz ?6 3 2c R f Rr 2 0.015 10 42.42 10 3.03 10 3 w 2 2 -3dB 带宽为： BW = 0 = = = 3.143kHz Q R f C 42.42 0.015 10 ?3 f0 10 图 3-9 窄带带通滤波器（R=2R） 在交流分析对话框中，合理设置参数，启动仿真后，窄带带通滤波电路的幅 频响应如图 3-10 所示。由幅频特性指针读取该滤波器的中心频率，与理论计算 基本相符。 图 3-10 窄带带通滤波器的幅频响应 3.4 带阻滤波器
