設(shè)計一種壓控電壓源型二階有源低通濾波電路,并利用Multisim10仿真軟件對電路的頻率特性、特征參量等進行了仿真分析,仿真結(jié)果與理論設(shè)計一致,為有源濾波器的電路設(shè)計提供了EDA手段和依據(jù)。
關(guān)鍵詞 二階有源低通濾波器;電路設(shè)計自動化;仿真分析;Multisim10
濾波器是一種使用信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置,在信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等自動控制、通信及其它電子系統(tǒng)中應用廣泛。濾波一般可分為有源濾波和無源濾波,有源濾波可以使幅頻特性比較陡峭,而無源濾波設(shè)計簡單易行,但幅頻特性不如有源濾波器,而且體積較大。從濾波器階數(shù)可分為一階和高階,階數(shù)越高,幅頻特性越陡峭。高階濾波器通常可由一階和二階濾波器級聯(lián)而成。采
用集成運放構(gòu)成的RC有源濾波器具有輸入阻抗高,輸出阻抗低,可提供一定增益,截止頻率可調(diào)等特點。壓控電壓源型二階低通濾波電路是有源濾波電路的重要一種,適合作為多級放大器的級聯(lián)。本文根據(jù)實際要求設(shè)計一種壓控電壓源型二階有源低通濾波電路,采用EDA仿真軟件Multisim1O對壓控電壓源型二階有源低通濾波電路進行仿真分析、調(diào)試,從而實現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。
1 設(shè)計分析
1.1 二階有源濾波器的典型結(jié)構(gòu)
二階有源濾波器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,Y1~Y5為導納,考慮到UP=UN,根據(jù)KCL可求得
式(1)是二階壓控電壓源濾波器傳遞函數(shù)的一般表達式,式中,Auf=1+Rf/R6。只要適當選擇Yi,1≤i≤5,就可以構(gòu)成低通、高通、帶通等有源濾波器。
1.2 二階有源低通濾波器特性分析
設(shè)Y1=1/R1,Y2=sC1,Y3=O,Y4=1/R2,Y5=sC2,將其代入式(1)中,得到壓控電壓源型二階有源低通濾波器的傳遞函數(shù)為
式(2)為二階低通濾波器傳遞函數(shù)的典型表達式。其中,ωn為特征角頻率,Q稱為等效品質(zhì)因數(shù)。
2 二階有源低通濾波器的設(shè)計
2.1 設(shè)計要求
設(shè)計一個壓控電壓源型二階有源低通濾波電路,要求通帶截止頻率fo=100 kHz,等效品質(zhì)因數(shù)Q=1,試確定電路中有關(guān)元件的參數(shù)值。
2.2 選擇運放
設(shè)計要求的截止頻率較高,因此要求運放的頻帶較寬,選用通頻帶較寬的運放,本例選用運放3554AM,帶寬為19 MHz,適合用于波形發(fā)生電路、脈沖放大電路等。輸出電流,達到100 mA,精度高,滿足設(shè)計要求。
2.3 電路設(shè)計
為設(shè)計方便選取R1=R2=R,C1=C2=C,則通帶截止頻率為可首先選定電容C=1 000 pF,計算得R≈1.59 kΩ,選R=1.6 kΩ。
等效品質(zhì)因數(shù),則RF=R6。為使集成運放兩個輸入端對地的電阻平衡,應使R6//RF=2R=3.2kΩ,則R6=RF=6.4 kΩ,選R6=RF=6.2 kΩ。
2.4 理論計算
根據(jù)實際選擇的元件參數(shù)重新計算濾波電路的特征參量。
式(2)中,令s=jω,得到二階低通濾波電路的頻率特性為
通帶截止頻率fo與3 dB截止頻率fc計算如下
實際設(shè)計的二階有源低通濾波電路,如圖2所示。
3 Multisim分析
3.1 用虛擬示波器觀察輸入輸出波形
Multisim環(huán)境下,創(chuàng)建如圖3所示的二階有源低通濾波器的仿真電路,啟動仿真按鈕,用虛擬示波器測得的輸入輸出波形,如圖4所示??梢钥闯?,輸出信號的頻率與輸入信號一致,輸出信號與輸入信號同頻不同相,說明二階低通濾波電路不會改變信號的頻率。從圖4中可以看出,當輸入信號的頻率較大(例如200 kHz)時,輸出信號的幅值明顯小于輸入信號的幅值,而低頻情況下的電壓放大倍數(shù)Auf=2。顯然,當輸入信號的頻率較大時,電路的放大作用已不理想。
調(diào)節(jié)輸入信號V3的頻率,使之分別為126 kHz,100 kHz,2 kHz。由虛擬示波器得到,當輸入信號的頻率為2 kHz時,輸入輸出信號同頻同相,且輸入信號的幅值約為1 V,輸出信號的幅值約為2 V,即Auf=2,與理論計算相吻合。而輸入信號的頻率為100 kHz時,Auf≈2。當輸入信號的頻率為126 kHz時,輸入信號的幅值約為998 mV,輸出信號的幅值約為1.369 V,此時,說明3 dB截止頻率fc接近126 kHz。也可以用瞬態(tài)分析法觀察輸入輸出波形。
3.2 測試幅/相特性等特征參量
3.2.1 用波特圖示儀測試頻率特性
在圖3所示的電路中,可以用波特圖示儀觀察電路的幅/相特性。從仿真得到的幅頻特性曲線中可以看到,通帶的對數(shù)坐標為6.02 dB,對應的電壓放大倍數(shù)Auf=2,且輸入輸出同頻同相。對數(shù)坐標減去3 dB即是對應的3 dB
設(shè)計一種壓控電壓源型二階有源低通濾波電路,并利用Multisim10仿真軟件對電路的頻率特性、特征參量等進行了仿真分析,仿真結(jié)果與理論設(shè)計一致,為有源濾波器的電路設(shè)計提供了EDA手段和依據(jù)。
關(guān)鍵詞 二階有源低通濾波器;電路設(shè)計自動化;仿真分析;Multisim10
濾波器是一種使用信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置,在信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等自動控制、通信及其它電子系統(tǒng)中應用廣泛。濾波一般可分為有源濾波和無源濾波,有源濾波可以使幅頻特性比較陡峭,而無源濾波設(shè)計簡單易行,但幅頻特性不如有源濾波器,而且體積較大。從濾波器階數(shù)可分為一階和高階,階數(shù)越高,幅頻特性越陡峭。高階濾波器通??捎梢浑A和二階濾波器級聯(lián)而成。采
用集成運放構(gòu)成的RC有源濾波器具有輸入阻抗高,輸出阻抗低,可提供一定增益,截止頻率可調(diào)等特點。壓控電壓源型二階低通濾波電路是有源濾波電路的重要一種,適合作為多級放大器的級聯(lián)。本文根據(jù)實際要求設(shè)計一種壓控電壓源型二階有源低通濾波電路,采用EDA仿真軟件Multisim1O對壓控電壓源型二階有源低通濾波電路進行仿真分析、調(diào)試,從而實現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。
1 設(shè)計分析
1.1 二階有源濾波器的典型結(jié)構(gòu)
二階有源濾波器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,Y1~Y5為導納,考慮到UP=UN,根據(jù)KCL可求得
式(1)是二階壓控電壓源濾波器傳遞函數(shù)的一般表達式,式中,Auf=1+Rf/R6。只要適當選擇Yi,1≤i≤5,就可以構(gòu)成低通、高通、帶通等有源濾波器。
1.2 二階有源低通濾波器特性分析
設(shè)Y1=1/R1,Y2=sC1,Y3=O,Y4=1/R2,Y5=sC2,將其代入式(1)中,得到壓控電壓源型二階有源低通濾波器的傳遞函數(shù)為
式(2)為二階低通濾波器傳遞函數(shù)的典型表達式。其中,ωn為特征角頻率,Q稱為等效品質(zhì)因數(shù)。
2 二階有源低通濾波器的設(shè)計
2.1 設(shè)計要求
設(shè)計一個壓控電壓源型二階有源低通濾波電路,要求通帶截止頻率fo=100 kHz,等效品質(zhì)因數(shù)Q=1,試確定電路中有關(guān)元件的參數(shù)值。
2.2 選擇運放
設(shè)計要求的截止頻率較高,因此要求運放的頻帶較寬,選用通頻帶較寬的運放,本例選用運放3554AM,帶寬為19 MHz,適合用于波形發(fā)生電路、脈沖放大電路等。輸出電流,達到100 mA,精度高,滿足設(shè)計要求。
2.3 電路設(shè)計
為設(shè)計方便選取R1=R2=R,C1=C2=C,則通帶截止頻率為可首先選定電容C=1 000 pF,計算得R≈1.59 kΩ,選R=1.6 kΩ。
等效品質(zhì)因數(shù),則RF=R6。為使集成運放兩個輸入端對地的電阻平衡,應使R6//RF=2R=3.2kΩ,則R6=RF=6.4 kΩ,選R6=RF=6.2 kΩ。
2.4 理論計算
根據(jù)實際選擇的元件參數(shù)重新計算濾波電路的特征參量。
式(2)中,令s=jω,得到二階低通濾波電路的頻率特性為
通帶截止頻率fo與3 dB截止頻率fc計算如下
實際設(shè)計的二階有源低通濾波電路,如圖2所示。
3 Multisim分析
3.1 用虛擬示波器觀察輸入輸出波形
Multisim環(huán)境下,創(chuàng)建如圖3所示的二階有源低通濾波器的仿真電路,啟動仿真按鈕,用虛擬示波器測得的輸入輸出波形,如圖4所示??梢钥闯?,輸出信號的頻率與輸入信號一致,輸出信號與輸入信號同頻不同相,說明二階低通濾波電路不會改變信號的頻率。從圖4中可以看出,當輸入信號的頻率較大(例如200 kHz)時,輸出信號的幅值明顯小于輸入信號的幅值,而低頻情況下的電壓放大倍數(shù)Auf=2。顯然,當輸入信號的頻率較大時,電路的放大作用已不理想。
調(diào)節(jié)輸入信號V3的頻率,使之分別為126 kHz,100 kHz,2 kHz。由虛擬示波器得到,當輸入信號的頻率為2 kHz時,輸入輸出信號同頻同相,且輸入信號的幅值約為1 V,輸出信號的幅值約為2 V,即Auf=2,與理論計算相吻合。而輸入信號的頻率為100 kHz時,Auf≈2。當輸入信號的頻率為126 kHz時,輸入信號的幅值約為998 mV,輸出信號的幅值約為1.369 V,此時,說明3 dB截止頻率fc接近126 kHz。也可以用瞬態(tài)分析法觀察輸入輸出波形。
3.2 測試幅/相特性等特征參量
3.2.1 用波特圖示儀測試頻率特性
在圖3所示的電路中,可以用波特圖示儀觀察電路的幅/相特性。從仿真得到的幅頻特性曲線中可以看到,通帶的對數(shù)坐標為6.02 dB,對應的電壓放大倍數(shù)Auf=2,且輸入輸出同頻同相。對數(shù)坐標減去3 dB即是對應的3 dB止頻率,移動讀數(shù)指針可看出3 dB截止頻率約在126 kHz附近,與理論計算很接近。
3.2.2 用交流分析法測試頻率特性
另外,還可啟用交流分析法測試電路的幅/相特性。選擇Simulate/Analyses/AC Analysis命令。在出現(xiàn)的對話框中進行如下設(shè)置:起始頻率1Hz,終止頻率100MHz,掃描類型選擇十進制,縱坐標選dB為刻度,在“Output”選項卡中輸出節(jié)點選V(6),單擊“Simulation”,仿真結(jié)果如圖5所示。測得的通帶電壓放大倍數(shù)、3 dB截止頻率也與理論分析相一致。
3.2.3 用參數(shù)掃描分析法測試斯率特性
在圖3所示電路中,改變電阻R6,RF的值,從而改變Q值,觀察頻率特性變化。由理論分析結(jié)果可知,改變放大倍數(shù),即可改變Q值。利用Multisim的參數(shù)掃描分析功能,即可得到不同條件下的頻率特性。
在主菜單欄中,選擇Simulate/Analyses/ParameterSweep——命令,在出現(xiàn)的對話框中進行如下設(shè)置:器件類型選擇電阻,器件名稱選擇電阻RF,分別取RF=0 Ω,6 200 Ω,ll 780 Ω“More Options”選項中,掃描類型選AC Analysis,再選擇節(jié)點V(6)為輸出節(jié)點,點擊Simulate進行仿真,得到RF取3個不同阻值時電路的幅/相特性曲線,如圖6所示。
從圖6中可以看出,3條曲線從下至上對應的電阻RF分別為0 Ω,6200 Ω,11780 Ω幅頻特性縱坐標對應的對數(shù)坐標分別-8.4 dB,2.88 dB,12.89 dB對應的3 dB截止頻率約為127 kHz。可見,RF越大,Auf越大,Q越大,幅頻特性曲線越尖銳。在同樣的設(shè)計截止頻率下,Q值的不同對實際截止頻率有較大的影響。同理可以分析電阻R6對幅頻特性的影響。
采用類似的方法,還可以分析電容C1,C2,電阻R1,R2對通頻帶的影響。分析結(jié)果如下:C1,C2,R1,R2的變小均會引起電路截止頻率的增大和通頻帶的變寬,而C1,C2,R1,R2的變化對電壓增益的影響不大。R6與輸出電壓幅度成反比,RF與輸出電壓幅度成正比,但R6,RF的變化不影響電路的頻率特性。
4 結(jié)束語
分析結(jié)果表明,Multisim中的仿真分析結(jié)果與理論計算十分接近。Multisim既是一個非常優(yōu)秀的電子技術(shù)教學工具,又是一個專門用于電子電路設(shè)計與仿真的軟件。將Multisim應用于電路設(shè)計不僅可以簡化設(shè)計過程、提高設(shè)計效率,而且可以優(yōu)化設(shè)計方案、節(jié)約設(shè)計成本,是現(xiàn)代化設(shè)計的趨勢。