基于Multisim的多功能滤波器电路的仿真毕业设计.docx

基于Multisim的多功能滤波器电路的仿真毕业设计.docx

《基于Multisim的多功能滤波器电路的仿真毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Multisim的多功能滤波器电路的仿真毕业设计.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于Multisim的多功能滤波器电路的仿真毕业设计

基于Multisim的多功能滤波器电路的仿真毕业设计

基于Multisim的模拟电路仿真

[摘要]滤波电路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，有着很重要的作用，常用来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等。

本次设计仿真在模拟电路的基础上对各种功能的滤波器以及多功能有源滤波电路的功能原理、设计参数、电路的组建、模拟仿真进行研究分析，给出滤波器的低通、高通、带通、带阻参数仿真设计方法，以此来进行滤波电路的设计。

采用具有先进功能的仿真软件Multisim对各种功能的滤波器电路进行仿真，为获得该类电路设计参数提供了EDA手段和实验依据。

[关键词]滤波器电路Multisim模拟电路仿真

AnalogcircuitsimulationbasedonMultisim

[Abstract]Thefiltercircuitisawayfortheusefulfrequencysignalthroughwhileatthesametimesuppresstheunwantedfrequencysignalsinelectronicdevices,Ithasaveryimportantrole,oftenusedtosignalprocessing,datatransferandinterferencesuppression.Thedesignandsimulationfilterandmultifunctionactivefiltercircuitofthevariousfunctionsofanalogcircuitsbasedonfunctionalprinciples,thedesignparametersofthecircuitsetup,simulationanalysis,giventhelow-passfilter,highpass,bandpass,bandstopparametersimulationdesignmethod,inordertocarryoutthedesignofthefiltercircuit.SimulationsoftwarewithadvancedfeaturesofMultisimsimulation,EDAtoolsandexperimentalbasisfortheclasscircuitdesignparametersofthefiltercircuitofthevariousfunctions.

[Keywords]Filtercircuit;Multisim;Analogcircuit;Simulation

引言

为了更好的总结大学四年学习研究与实践的成果，加深对电子电路知识的理解与掌握。

通过模拟电路仿真这个课题来实践制作一个多功能滤波器。

实践仿真过程中要合理的利用集成电子器件等基于模拟电路的知识来进行实践与仿真。

本毕业设计使用四个运算放大器分别实现低通、带通、带阻、高通滤波电路，实现多功能滤波电路的设计与仿真。

滤波器是一种能够有效抑制无用频率信号而可以使有用频率信号通过的一种电子电路装备。

在工程上常用它进行信号处理、数据传送或抑制干扰等。

是一种有着广泛用途的重要器件。

以往的滤波器通常采用元件电阻R、电感L和电容C组成，此种滤波器通常称为无源滤波器。

而目前则一般采用集成运放、电阻R、电容C组成的滤波器，常称为有源滤波器。

由RC元件与运算放大器组成的RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围的信号通过，抑制或急剧衰减此范围以外的信号。

可用在信息处理、数据传送、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。

根据对频率范围的选择不同，可分为低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）与带阻（BEF）等四种滤波器。

本毕业设计通过先进的仿真软件Multisim对滤波器电路进行设计与仿真。

设定参数进行仿真研究与分析仿真结果，从而得出重要的结论。

第一章绪论

滤波电路是一种能使目标信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。

这里主要讨论的是模拟滤波器。

以往这种滤波器主要采用无源元件R、L和C组成，20世纪60年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。

此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。

但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波电路的工作频率难以做得很高，以及难以对功率信号进行滤波，这是它的不足之处。

1.1选题意义

Multisim是一种功能非常强大的电子电路仿真软件，该软件可以对电路直流工作点分析，交流特性分析、傅里叶分析、暂态分析、失真度分析、噪声分析、直流扫描、参数扫描、灵敏度分析、温度扫描、传输函数分析、零，极点分析、最坏情况分析；既可以对模拟、数字、模拟/数字混合电路、射频电路进行仿真；又能对部分微机接口电路进行仿真，克服了实验室条件下对传统电子设计工作的限制。

为用户提供了一个良好的集成化的虚拟设计实验环境，从建立电路到仿真分析和结果输出在集成界面都可以完成，仿真的手段完全切合实际，选用的元器件和测量仪器与实际情况十分接近；并且界面可视、直观。

绘制电路图所需的元器件、仪器、仪表以图标形式出现，选取十分方便，还可以自己扩充元件库。

对电路中元器件设置故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，针对不同故障观察电路的各种状态进行仿真，从而加深对电路原理的理解。

利用Multisim软件设计可以使设计与实验同步，一边设计一边实验，修改调试方便；仿真实验中又不消耗实际的元器件和测试仪器，实验成本低廉，实验速度快速；仿真实验成功的电路又可以直接在产品中使用，缩短了开发应用的周期。

结合Multisim软件能达到搭建电路，仿真分析。

达到事半功倍的效果。

1.2研究现状

随着计算机技术和电子技术的发展，电子产品已与计算机技术密不可分，紧紧相连；随着电子产品日益智能化，电路得集成度的越来越高，使新技术新产品的更新周期越来越短。

应运而生电子设计自动化技术（EDA），从而使电路研发人员能用计算机来完成电路功能设计、逻辑分析、性能分析、时序测试直至电路板的计算机自动化设计应运而生。

EDA是“electronicdesignautomation”的缩写，译成中文名为电子设计自动化。

它是在20世纪90年代初从计算机辅助设计英文缩写为（CAD）、计算机辅助制造英文缩写为（CAM）、计算机辅助测试英文缩写为（CAT）和计算机辅助工程英文缩写为（CAE）的概念发展而产生的。

EDA技术就是主要依赖计算机作为硬件平台，以大规模可编程逻辑器件及集成电路作为设计载体，设计者在EDA软件平台上，使用以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系的语言即硬件描述语言来完成文件设计，然后经由计算机自动地完成逻辑编辑、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、优化、布局布线、以及逻辑优化和仿真测试等，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等等工作，从而形成集成电子系统或专用集成芯片的一门独特技术。

自从EDA技术的出现，它完全适用了现代电子产品的设计要求，并形成了吸收多学科新成果而形成的一门专用技术。

它促进现代电子产品以前所未有的发展速度，向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向发展。

EDA的现状和发展EDA技术所涉及的内容较多，也比较广泛，但可大体分为以下四个方面的内容：

第一方面是大规模可编程逻辑器件；第二方面是硬件描述语言；第三方面是软件开发工具；第四方面是实验开发系统。

现在EDA的应用范围十分广泛，涉及机械、航空航天、通讯、电子、化工、矿产、生物、医学、军事等等各个领域。

但本文主要针对模拟电路的设计与仿真进行研究。

1.3Multisim简介

从开始的加拿大EWB到EWB4.0、EWB5.0、EWB6.0、Multisim2001、Multisim7、Multisim8、Multisim9、Multisim10。

该软件通过直观的电路图捕捉环境，能比较轻松的设计电路，也能通过交互方式SPICE仿真，迅速知道电路行为，也可以借助高级电路分析，理解基本设计特点，同时通过一个工具链，无缝的进行集成电路设计和虚拟测试，通过改进。

整合设计流程，减少建模错误并缩短上市的时间。

NIMultisim软件很好地结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计与仿真。

凭借NIMultisim可以立即创建具有完整组件库的电路原理图，然后利用工业标准SPICE模拟器模仿电路进行行为。

借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，可以在设计流程中提早对电路设计进行迅速的验证，从而缩短建模周期。

Multisim推出了很多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。

1.3.1Multisim的主窗口

安装Multisim软件后，单击“开始”→“程序”→“NationalInstruments”→“CircuitDesignSuit10.0”→“Multisim”选项，启动Multisim10，可以看到图1.1所示的Multisim10主窗口。

图1.1Multisim10的主窗口

Fig1.1ThemainwindowofMultisim10

从图1.1可以看出，Multisim10的主窗口如同一个实际的电子实验台。

屏幕中央区域最大的窗口就是电路工作区，在电路工作区上可将各种电子元器件和测试仪器仪表连接成实验电路。

电路工作窗口上方是菜单栏、工具栏。

从菜单栏可以选择电路连接、实验所需的各种命令。

工具栏包含常用的操作命令按钮。

通过鼠标操作即可方便地使用各种命令和实验设备。

电路工作窗口两边是元器件栏和仪器仪表栏。

元器件栏存放各种电子元器件，仪器仪表栏存放各种测试仪器仪表，用鼠标操作可以很方便地从元器件和仪器库中提取实验所需的各种元器件及仪器仪表到电路工作窗口并连接成实验电路。

单击电路工作窗口上方的“启动/停止”开关或“暂停/恢复”按钮，可以方便地控制实验的进程。

1.3.2Multisim菜单栏

Multisim10有12个主菜单，如图1.2所示

图1.2Multisim10的主菜单

Fig1.2mainmenusofMultisim10

现介绍几个比较常用的菜单及其功能

1.File（文件）菜单

File（文件）菜单提供19个文件操作命令

New：

建立一个新文件。

Open：

打开一个己存在的*．msm10、*．msm9、*．msm8、*．msm7、*．ewb或*．utsch等格式的文件。

Close：

关闭当前电路工作区内的文件。

CloseAll：

关闭电路工作区内的所有文件。

Save：

将电路工作区内的文件以*．msm10的格式存盘。

Saveas：

将电路工作区内的文件另存为一个文件，仍为*．msm10格式。

SaveAll：

将电路工作区内所有的文件以*．msm10的格式存盘。

NewProject：

建立新的项目（仅在专业版中出现，教育版中无此功能）。

OpenProject：

打开原有的项目。

SaveProject：

保存当前的项目。

CloseProject：

关闭当前的项目。

Exit：

退出。

等等

2.Edit（编辑）菜单

Edit（编辑）菜单在电路绘制过程中，提供对电路和元件进行剪切、粘贴、旋转等操作命令，共21个命令。

Undo：

取消前一次操作。

Redo：

恢复前一次操作。

Cut：

剪切所选择的元器件，放在剪贴板中。

Copy：

将所选择的元器件复制到剪贴板中。

Paste：

将剪贴板中的元器件粘贴到指定的位置。

Delete：

删除所选择的元器件。

SelectAll：

选择电路中所有的元器件、导线和仪器仪表。

等功能。

3.Simulate（仿真）菜单

Simulate（仿真）菜单提供18个电路仿真设置与操作命令，Simulate菜单中的命令及功能如下：

Run：

开始仿真。

Pause：

暂停仿真。

Stop：

停止仿真。

Instruments：

选择仪器仪表。

InteractiveSimulationSettings...：

交互式仿真设置。

DigitalSimulationSettings...：

数字仿真设置。

等等。

1.3.3Multisim工具栏

multisim常用工具栏如图1.3所示，工具栏各图标名称及功能说明如下图：

图1.3Multisim工具栏

Fig1.3MultisimToolbox

新建：

清除电路工作区，准备生成新电路。

打开：

打开电路文件。

存盘：

保存电路文件。

打印：

打印电路文件。

剪切：

剪切至剪贴板。

复制：

复制至剪贴板。

粘贴:

从剪贴板粘贴。

旋转:

旋转元器件。

全屏：

电路工作区全屏。

放大：

将电路图放大一定比例。

缩小：

将电路图缩小一定比例。

等功能的快捷方式。

1.3.4Multisim的元器件库

multisim10提供了丰富的元器件库，元器件库栏图标和名称如下图1.4所示。

图1.4Multisim的元器件库

Fig1.4MultisimComponentslibrary

用鼠标左键单击元器件库栏的某一个图标即可打开该元件库。

从左向右依次为电源/信号源库、基本器件库、二极管库、晶体管库、模拟集成电路库、TTL数字集成电路库、CMOS数字集成电路库、数字器件库、数模混合集成电路库、指示器件库、电源器件库、其他器件库等。

1.3.5Multisim仪器仪表库

仪器仪表库的图标及功能如图1.5所示。

图1.5Multisim仪器仪表库

Fig1.5MultisimInstrumentationlibrary

1.4论文主要工作

1.绪论部分主要论述了选题意义、研究现状、进行了Multisim软件的简单介绍，主要说明软件特点。

软件功能及论文的主要工作。

2.基本的低通、高通、带通、带阻滤波器仿真单元电路

3.多功能滤波器电路的设计与仿真

4.得出软件在研究中的作用

5.学习多功能滤波器的设计方法

6.由滤波器设计指标计算电路元件参数

7.掌握有源滤波器的仿真测试方法

1.5设计任务及要求

根据要求完成具有高通、低通、带通、带阻功能的滤波器电路的仿真设计，配置与调试。

1.截止频率可调

2.选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

3.利用Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路的工作原理并仿真实现其系统功能。

4.调试得出结论并按要求格式完成毕业设计毕业论文。

第二章具有基本功能的滤波器的种类与仿真设计

对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。

理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内幅度衰减到零。

按照通带和阻带的相互位置不同，滤波电路通常可分为以下几类：

低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等滤波电路。

其理想的的幅频特性如图2.1所示

我们把通带与阻带的分界点的频率称为截止频率或转折频率。

上图中f0、f1、f2均为截止频率，其中f1、f2分别称为上限和下限截止频率；Au为通带的电压放大倍数。

2.1低通滤波电路

一阶有源低通滤波器电路简单，幅频特性衰减斜率只有-20dB/10oct（十倍频程），因此在f0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。

2.1.1电路设计分析

二阶有源低通滤波器电路原理图如图2.2所示

RF

Ui

通过分析发现，二阶有源低通滤波器电路的输入、输出信号关系为

式中:

传递函数中出现w的二次项，故称为二阶滤波器。

阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器。

2.1.2元器件选取及电路组成

（1）元器件选取

仿真电路所用元器件及选取途径如下。

1.电源VCC和VEE：

PlaceSource→POWER_SOURCES→VCC/VEE.

2.接地：

PlaceSource→POWER_SOURCES→GROUND,选取电路中的接地。

3.信号源：

PlaceSource→SIGNAL_VOLTAGE_SO→AC_VOLTAGE.

4.电阻：

PlaceBasic→RESISTOR,选取47.5kΩ、27.4kΩ、10kΩ。

5.电容：

PlaceBasic→CAPACITOR，选取47nF。

6.运算放大器（3554BM）：

PlaceAnalog→OPAMP→3554BM。

7.虚拟仪器：

从虚拟仪器栏调去波特图仪。

（2）电路组成

将选择好的运算放大器3554BM、直流电源、信号源、电阻、电容、波特图仪等放置在仿真软件工作窗口合适的位置，创建二阶有源低通滤波器仿真电路，如图2.3所示

图2.3二阶有源低通滤波器仿真电路

Fig2.3Second-orderactivelow-passfiltersimulationcircuit

2.1.3仿真分析

（1）二阶有源低通滤波器的幅频特性及仿真电路

启动仿真，单击波特图仪，可以看见二阶有源低通滤波器的幅频特性曲线，如图2.4所示

图2.4二阶有源低通滤波器的幅频特性曲线

Fig2.4theamplitude-frequencycharacteristiccurveofsecond-orderactivelow-passfilter

（2）二阶有源低通滤波器的ACAnalysis

利用ACAnalysis（交流分析）功能可以分析二阶有源低通滤波器电路的频率特性。

分析步鄹如下

1）单击Options→SheetProterties命令，再打开的对话框的Circuit选项卡中选中ShowAll选项

2）单击Simulate→Analysis→ACAnalysis菜单命令，将弹出ACAnalysis对话框，进入交流分析状态。

3）选择设置合适的参数进行仿真。

4）单击Simulate按钮即可进行仿真分析，仿真分析结果如下图2.5所示。

图2.5二阶有源低通滤波器电路的频率特性

Fig2.5frequencycharacteristicsofthesecond-orderactivelow-passfiltercircuit

2.1.4仿真分析总结

利用具有先进功能的Multisim仿真软件分析二阶有源低通滤波电路。

先对滤波电路进行对应的参数设置，构建电路原理图。

再在仿真软件界面构建电路仿真图。

利用波特图仪及ACAnalysis可以分析二阶有源低通滤波电路的频率特性、幅频特性及相频特性。

可以得知滤波电路的截止频率。

与理论得出的截止频率相比较，两者相符合。

得证!

应用仿真软件Multisim进行电路的仿真设计节省了大量的工作时间，可以直接方便的验证电路方案是否正确。

仿真正确后可以直接制版做电路，很好的控制了成本。

2.2高通滤波电路

2.2.1电路设计分析

高通滤波器与低通滤波器作用正好相反，它允许高于截止频率的信号通过。

二阶高通滤波器如下图2.6所示：

图2.6二阶高通滤波器电路原理图

Fig2.6Second-orderhigh-passfiltercircuitschematic

由图可见，它是有两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。

二阶有源高通滤波器

（1）通带增益Avp

（2）传递函数Av（s）

（3）频率响应Av

由以上公式可以得出其幅频特性曲线如下图2.7所示

图2.7二阶有源高通滤波器幅频特性曲线图

Fig2.7amplitude-frequencycharacteristiccurveofsecond-orderactivehigh-passfilter

2.2.2元器件选取及电路组成

（1）元器件选取

仿真电路所用元器件及选取途径如下。

1．接地：

PlaceSource→POWER_SOURCES→GROUND,选取电路中的接地。

2．信号源：

PlaceSource→SIGNAL_VOLTAGE_SO→AC_VOLTAGE.

3．电阻：

PlaceBasic→RESISTOR,选取20kΩ、10kΩ。

4．电容：

PlaceBasic→CAPACITOR，选取10nF。

5．运算放大器（OPAMP_3T_VIRTUAL）：

PlaceAnalog→OPAMP→OPAMP_3T_VIRTUAL。

6．虚拟仪器：

从虚拟仪器栏调去波特图仪XBP1。

（2）电路组成

将选择好的运算放大器OPAMP_3T_VIRTUAL、交流电源、信号源、电阻、电容、波特图仪等放置在仿真软件工作窗口合适的位置，创建二阶有源高通滤波器仿真电路，如图2.8所示

图2.8二阶高通滤波电路

Fig2.8Second-orderhigh-passfiltercircuit

2.2.３二阶高通滤波器仿真

单击Multisim仿真按钮，打开波特仪操作面板得到二阶高通滤波器的幅频特性如下图2.9

图2.9二阶高通滤波器的幅频特性

Fig2.9Amplitude-frequencycharacteristicofthesecond-orderhigh-passfilter

二阶有源高通滤波器的ACAnalysis

利用ACAnalysis（交流分析）功能可以分析二阶有源高通滤波器电路的频率特性。

分析步鄹如下

1单击Options→SheetProterties命令，再打开的对话框的Circuit选项卡中选中ShowAll选项

2单击Simulate→Analysis→ACAnalysis菜单命令，将弹出ACAnalysis对话框，进入交流分析状态。

3选择设置合适的参数进行仿真。

如下图2.10所示

图2.10参数设置

Fig2.10Parametersettings

4单击Simulate按钮即可进行仿真分析，仿真分析结果如图2.11所示。

图2.11二阶有源高通滤波器ACAnalysis仿真分析结果

Fig2.11Second-orderactivehigh-passfiltertheACAnalysissimulationanalysisresults

在仿真软件右侧仪器仪表栏调取双通道示波器xsc1，使A通道检测显示信号源信号波形，使B通道监测显示通过了高通滤波电路之后的信号。

在这里可以设置波形显示颜色以示区别便于观察。

单击A通道导线，按右键选择SegmentColor可以设置波形颜色。

在这里把电路输入前的信号波形设置为黑色。

如下图所示。

当信号源的信号频率处于截止频率之下时，电路输出波形为一条直线，即限制抑制了信号的通过。

如下图2.12中红线所示，图中黑色波形为信号源信号。

图2.12仿真演示图

Fig2.12Simulationdemomap

当信号源的频率为高频信号时，可由上图可知，红色输出波形通过了滤