1、引言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，常用于信號 處理、 數據傳輸和十擾抑制等方面，有源低通濾波電路由集成運放和無源元件電 阻和電容構成。它的功能是允許從零到某個截止頻率的信號無衰減地通過，而對其他頻 率的信號有抑制作用。有源低通濾波電路可以用來濾除高頻十擾信號。1但對于濾波器設計的綜合技術，由于其網絡元件參數的實際選擇和調試的困難，采用普通實驗設計 方法不僅解決不了上述問題，還花費大量時間和設計成本，以至于設計出的產品價格昂 貴，電路噪聲大等質量問題也不盡人意。因此，對有源低通濾波器的設計新方法探討， 仍有積極的實際意義。2隨著集成運放的廣泛應用，有源濾波器的

2、應用更為廣泛，因 此有源濾波器性能的分析和電路設計就成為一個核心問題，本文采用了先進的Multisim 8仿真軟件和歸一化方法結合設計出有源低通濾波器的電路，并對其性能進 行分析和實驗現象進行仿真研究。1 Multisim 8仿真軟件特點簡介Multisim8是早期的ElectronicWorbench(EWB)的升級換代的產品。早期的EW由Multisim8在功能上不能同日而語。Multisim 8提供了功能更強大的電子仿真設計界面，能進行射頻、PSPICE VHEDL MCg方面的仿真。Multisim 8提供了 更為方便的電路圖和文件管理功能。更重要的是，Multisim 8使電路原理圖

3、的仿真與完成PCB設計的UltiboardlO仿真軟件結合起來一起構成新一代的EWB軟件，使電子線路的仿真與PCB的制作更為高效。通過將Multisim 8電路仿真軟件和LabVIEW測量軟件相集成，需要設計制作自定義PCB的工程帥能夠非常方便地比較仿真數據和真 實數據，規避設計上的反復，減少原型錯誤并縮短產品上市的時間。熟練掌握Multisim8電路仿真軟件已成為當今電子電路分析和設計人員所必需具備的基本技能之一。2有源低通濾波電路基本原理2.1有源低通濾波電路基本概念濾波電路的作用就是允許某段頻率范圍內的信號通過，而阻止或削弱其他頻率范圍的信號。有源濾波電路由電阻、電容和集成運算放大器組成

4、，乂稱為有源濾波器。有源 濾波器能 夠在濾波的同時還能對信號起放大作用，這是無源濾波無法做到的。根據濾 波電路通過或者 阻止信號頻率范圍不同，可將濾波電路分為低通、高通、帶通河帶阻 電路。本文討論的是有源低通濾波電路的設計與仿真研究。有源低通濾波電路能夠通過 低頻信號，抑制或哀減局頻信號。2.2有源低通濾波電路的組成和實驗原理二階壓控電壓源低通濾波電路由兩個RC環節和同相比例放大電路構成,電路如圖 所示。桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙第1頁共 10 頁有源低通濾波二階電路圖（D電路性能參數 其通帶電壓放大倍數即為同相比例放大電路的放大倍數:其傳遞函數: 其中：Wo=1/RC截止角頻率

5、，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率3土品質因數，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形不同Q值的有源低通濾波電路的幅頻特性曲線 通過分析可知：當信號頻率大丁截止頻率時信號的衰減率只有20dB/十倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號也受到衰減。二階壓控有源低通濾波電路衰減可以達到40dB/倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號可以得到一定提升。如果Q=0.707時，濾波器的幅頻特性最為平坦；如果Q0.707時，幅頻特性將出現峰值。因此，我們后面要用到巴 特沃斯歸一化方法設計電路圖參數。2.3有源低通濾波器的運放運算放大器是目前應用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運放結構不同，但對于 外部

6、電路而言，其特性都是一樣的。運算放大器一般由4個部分組成，偏置電路，輸入4 = 1 + &桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙第2頁共 10 頁級，中間級，輸出級，其中輸入級一般是采用差動放大電路（抑制電源）,中間級一般采用有源負載的共射負載電路（提高放大倍數），輸出級一般采用互補對稱輸出級電路（提高電路驅動負載的能力）。運算放大器的性能指標包括5個，開環差模電壓放大倍數，最大輸出電壓，差模輸 入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR（開環差模放大倍數是指集成運放在無外加反饋 回路的情況下的差模電壓的放大倍數。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運放 的最大不失真輸出電壓的峰-峰值。

7、差模輸入電阻的大小反映了集成運放輸入端向差模 輸入信號源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運放在小信 號輸出時的負載能力。共模抑制比放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義 同差動放大電路。CMR越大越好。）實際是有要求的。首先運放的輸入阻抗要足夠大，以免輸入阻抗對電路中的實際電 阻產生過大的影響。其次運放的開環增益AV0要足夠大。但由于這些條件非常容易滿 足，因此在設計有源二階低通濾波器時，不考慮。但在仿真時，不同的運放對濾波器的 指標還是有影響的。本次設計所用的運放芯片為NE5532其指標如下：放大器數目：2，運放類型：低噪聲，-3dB帶寬增益乘積:10MHz

8、,變化斜率:9V/ s，電源電壓 最小:3V,電源電壓 最大:22V，表面安裝器件：表面安裝，封裝類型：SOIC。實驗時所用的電源電壓為12V。針腳數:8，工作溫度范圍:0 C to +700C，器件標號:5532，增益帶寬：10MHz ,工2作溫度最低:0 C，工作溫度最高:700C，放大器類型:Op Amp，輸入偏移電壓 最大:4mV，運放特點：Low Noise3電子電路設計的一般方法3.1模擬電子電路的設計流程圖桂林電子科技大學課程設計(論文)報告用紙第3頁共 10 頁3.2有源濾波器設計一般步驟：(1)提出有源濾波器的技術指標和性能指標，他可包括在通帶、阻帶上的幅度要求，相 位要求及

9、其他需要的特性；(2)尋找合適的傳遞函數；(3)用實際電路實現傳遞函數，通常有多種電路可實現該傳遞函數；(4)對所得各個電路進行各種性能分析，如容差分析，靈敏度分析；(5)選出能滿足所有要求的電路；(6)對選出的電路進行優化。3.3巴特沃斯歸一化設計電路參數3.3.1巴特沃斯歸一化傳遞函數的分母表桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙第4頁共 10 頁n歸-北的巴敝斯低誠波器傳撕郵分鞋取1sL+1話+色+13(的+q +1)， +1)4(+0.7653 +1)(5；+ 1.8477+1)5(+0,6180% +1),優+L6I+1)血+1)6優+0.51764., +1)-(5；+裕+1),

10、優+1931險+1)7仔+0.4450& +1)*(5? +L2469&, +1)(1；+L80194, +1)(s.+1)8低 +03901覽+1卜( +1 1111& +1),優 +L66294+1) ,( +19615云+1)們歸化的喝湖峨制撇楠附畛煩3.3.2參數的設計設計一個有源二階低通濾波器，指標為：截止頻率Fc=1kHZ;通帶電壓放大倍數：Auo=2;在F=10Fc時，要求幅度衰減大丁30dBo由圖可得其歸化函數：該電路的傳述函數:桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙第5頁共 10 頁將上式分母與表1歸一化傳送函數的分母多項式比較外- =V2QH-!+

11、 (】一4 -Q RG勺G位G為了減少輸入偏置電流及其漂移對電路的影響，應使：R1+R2=R3/R4綜合以上等式可以求出：C1=C2=C=10/Fc(uF)=0.01Uf,R. =- =1- = 1 1.26x100皿C 2xl0 x/2 x0.0 lx 10*R、=- = 22,52x100QaC 2x10 x0.01x10*七二 4(凡 + R) = 2x(l L26+2Z52)xl(V =6Z56I0*QR. = 67 56x10= 67,56x OQAf-12-14應用Multisim 8仿真軟件對有源低通濾波電路的設計與仿真分析4.1有源二階低通濾波器的仿真通帶內的電壓放大借敏:賊器

12、的截止那質率:=2 -2x103桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙第6頁共 10 頁輸入輸出波形CriannelB721.013 mV 713.5SS mV1.43S VChannel1.544 V 1.644 V12IT2-T1幅頻特性曲線桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙第7頁共 10 頁相頻特性曲線iF4.2實驗數據與結論分析桂林電子科技大學課程設計(論文)報告用紙第8頁共 10 頁Fc=1kH Z;Af=2;f=10fc時，幅度衰減大丁30dB;分析：有源二階低通濾波器高頻段發生衰減時其曲線的斜率比較小，衰減的程度比較緩 慢。因此，可以濾除高頻成分。由圖可知，二階有源低通濾波電路的輸出波形滯后丁輸入波形。測量輸入波形和輸出波 形的幅值分別是1.438V和3.888V，計算得到電壓放大倍數為2。二階有源低通濾波電路根據計算可得：二階有源低通濾波電路以-40dB/10倍頻的幅度下降。它與一階有源低通濾波電路頻率特性相較可以看出，轉折區更陡峭，即特性更理 想。4.3實驗板的測得數據通過計算的數據很精確，但做板子時只能選用R1=11K,R2=22K,R3=R4=68K.C1=C2=1