毕业设计（论文）基于Multisim的电路仿真设计与分析.doc

基于Multisim的电路仿真设计与分析 系别： 班级： 姓名： 学号：基于Multisim的电路仿真设计与分析摘 要电子技术是电子专业的一门主干课程，该课程既有比较抽象的理论分析又有具体的实践应用。EDA对于这类课程的学习可以做出很大的帮助，而课程学习质量的优势直接影响到该专业的后续课程的学习以及我们的电路理论分析和实践动手能力。电子技术理论的学习应于实验同步进行，以加深感性认识，用仿真软件验证理论分析是可行的有效的方法。Multisim是知名的EDA软件之一，EDA教学和技术推广已成为当今世界的一个热点，用它可以准确地对电路进行电路仿真及其分析。通过几个电路设计实例的仿真分析，表明使用Multisim软件进行电路设计可以方便地搭接各种电路，连接虚拟仪表，运行仿真可以测试到精确的数据和形象的波形，不仅可以提高设计效率，而且可以保证设计质量。Multisim是一种功能比较强大的电子电路仿真软件，利用Multisim软件可以使设计与仿真同步，一边设计一边实践，修改调试也比较方便；仿真实验中又不消耗实际的元器件和损伤测试仪器，实验成本很低，试验速度也比较快；仿真实验成功的电路也可以在产品中直接使用。关键词：Multisim；仿真实验；电路设计；电路分析。Based on Circuit Simulation and Analysis of MultisimABSTRACTElectronic technology is the electronic profession a main course ,the course is both more abstract and theoretical analysis there are more specific practical application.EDA for such course of study can make a great help,the course of study directly affect the quality of follow up to the professional course of study and my analysis of circuit theory and practical ability.E-learning technology theory and experiment should be carried out simultaneously to enhance perceptual knowledge,the theoretical analysis with simulation software is feasible and effective method.Multisim is a well-known EDA software EDA teaching and technology extension have become hot issues in current electronic industry ,It can do a electric circuit simulation analysis exactly.According to the simulation analysis are done on some circuit design examples,the results show that using the Multisim software to design the circuit ,which is convenient to link variety circuits,joint hypo the sized instrument measuring appliance.It can measure the accurate data and waveform figures with running simulation,which not only improve the design efficiency,but also guarantee the quality.This paper mainly validates the powerful function of Multisim software.Multisim is a multifunctional electronic simulated circuit software,which can design and simulate at the same time,The modification of the circuit is very convenient.By Multisim simulation,cost of experiments can be reduced since no real devices are wasted during the test,Moreover,so the rate of experiments is very fast.The success of circuit simulation can be directly used in the product.KEY WORDS: Multisim;simulation experiments;circuit design;circuit analysis.目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第1章 绪论11.1 选题意义及现状11.2 Multisim11的发展与基本功能11.2.1 Multisim11的发展11.2.2 Multisim11的基本功能21.3 Multisim11主要的特点3第2章 常见电路仿真52.1 放大电路的仿真分析52.1.1 放大的概念52.1.2 共射极放大电路仿真分析52.2 RC一阶电路仿真分析112.2.1 RC一阶电路的特征112.2.2 RC一阶动态电路仿真分析12第3章 简单滤波电路仿真163.1 本章引言163.2 低通滤波电路的仿真分析173.3 高通滤波电路的仿真分析213.4 带通滤波电路的仿真分析243.5 带阻滤波电路的仿真分析28结 论33谢 辞34参考文献35外文资料翻译36第1章 绪论1.1 选题意义及现状当今不断发展的科技逐渐上升，尤其是电子产品的设计与制造最为突出。当前计算机软件进行产品开发、设计、制造在电力电子行业普遍被使用，现今使用最为广泛Multisim11仿真软件就是之一。强大的Multisim11仿真软件功能，除了能够更好地完成电工电子技术的虚拟仿真与分析之外，它在技术领域方面比虚拟仿真仪器Lab VIEW和单片机仿真设计等都有更多的创新与提高。该软件工作界面形象直观、操作方便、易学易用，可为大中专院校的“电子技术”课程的实践教学提供良好的仿真训练。实验者把Multisim11仿真软件安装在计算机上，就相当于拥有了一个器件齐全、设备精良的实验室，可以随心所欲地搭接各种电路，接上虚拟仪器仪表，运行仿真后可以得到准确的数据和直观的波形，使实验做得既快又准，不仅有利于学生对理论知识的理解，而且学生实践能力的培养和强化也能得到提高。对于从事电子技术产品设计的工程师们，使用Multisim11可以随时修改实际方案，完善电路设计，提高设计质量。在当代快速发展的电子技术行业和计算机技术的普遍使用，在电子课程教学环节中计算机辅助设计和电子虚拟仿真软件作为电路设计原理验证和辅助调试的有效工具与先进的电化教学方法已成为不可或缺的一种先进的方法和手段。1.2 Multisim11的发展与基本功能1.2.1 Multisim11的发展EWB5.0的升级过后就是所谓的Multisim仿真软件，2001年它在加拿大Interactive Image Technologies 公司（简称IIT公司）被其升级的EWB6.0版本改名为Multisim2001，从那以后，Multisim7.0、Multisim8.0等版本又相继出版。EWB仿真软件的优良界面被Multisim11仿真软件继续沿用，更加的形象直观、操作方便、简单易学，做了较大规模的改动的地方也只是在功能与操作方面。往日的EWB仿真软件已无法与NI Multisim11仿真软件相提并论了，也可以这么说，EWB仿真软件的主要功能是用于电工、电子电路的虚拟仿真，而NI Multisim11仿真软件除了更出色地完成电工电子技术的虚拟仿真外，在Lab VIEW虚拟仪器和单片机仿真等技术领域都有更多的创新和提高。1.2.2 Multisim11的基本功能Multisim11仿真软件的功能比较多，在这里我们只将它的基本功能简述如下。 1. 建立电路设计原理图简单快捷数量众多的现实元器件与虚拟元器件操作者在Multisim11仿真软件能够很容易找的到，而且分门别类地把它们存放在十八个元器件库中，我们打开元器件库绘制电路图时也是非常的随意，要用的元器件再用鼠标左键选中即可，然后把它移放到画图区，当光标移动到元器件的引脚上的时候，一个带十字的红点会自动出现Multisim仿真软件，进入到连线状态，单击鼠标左键确认后，移动鼠标即可实现连线，这样简单又快捷地就搭接电路原理图。 2. 用虚拟仪器仪表测试电路性能参数及波形准确直观提供了二十几种虚拟电子仪表在Multisim11仿真软件中给大家使用，它包括了数字万用表、功率表、双踪示波器、波特图示仪4通道示波器、频率计、逻辑分析仪、IV分析仪、逻辑转换仪、失真分析仪、频谱分析仪、网络分析仪、安捷伦万用表、安捷伦函数发生器、安捷伦示波器、泰克示波器、测量探针、Lab VIEW测试仪、NI ELVISmx测试仪和电流探针等，这些仪器和仪表不但外形和操作方法与实际仪器完全相同，而且测试的数值和波形也是精准可信。大家能方便的在电路图中大胆使用这些虚拟仪器和仪表来测试电路的性能参数及其波形。 3. 完备的性能分析手段Multisim11仿真软件可以进行交流工作点的分析、直流工作点的分析、傅里叶的分析、瞬态分析、噪声图形的分析、直流扫描的分析、失真度的分析、灵敏度分析、参数扫描的分析、温度扫描的分析、零点-极点的分析、传输函数分析、最坏情况的分析、蒙特卡罗的分析、铜箔宽度的分析、批处理的分析等，而且分析的结果直接以数值或波形非常地直观地显示出来。Multisim11仿真软件不但可以对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也能够进行数模混合仿真与射频（RF）电路的仿真。在实验仿真失败的情况下Multisim仿真软件是会显示错误信息并且提示可能出错的原因，仿真的结果能够随时存储并打印出来，基本能够满足电子电路仿真设计和分析的具体要求。 4. 完美的兼容能力Multisim11仿真软件不仅能够打开较低版本的EWB仿真软件和Multisim仿真软件中的文件的优点，还可以打开Spice网络表文件、Orcad文件、ULticap文件等，它的的电路原理图能够自动生成。也可以将Multisim11仿真软件建立的电路原理图转变为Spice网络表文件。1.3 Multisim11主要的特点电子电路的仿真与设计的EDA仿真软件是NI Multisim11仿真软件只是其中之一。从20世纪80年代Multisim11软件出版至今，Multisim仿真软件已经升级过很多个版本，除了保留操作界面直观、操作便利的很、简单易学等优良传统以外，电路仿真的功能也俞加不断得到完善。如今，Multisim11仿真软件它的最新版本主要有以下的特点。（1） 在软件大量的虚拟仪表数目中，从那时最初的EWB 5.0仿真软件拥有的七个虚拟仪表到现在的NI Multisim11提供的二十几种虚拟仪器，与现实中的实物一样设置和使用这些仪器和仪表，能将动态交互显示。（2）低版本EWB图形界面的直观的特点仍然在NI Multisim11仿真软件被一直保持着，在这里一个相近电子实验的工作台就是它的电路仿真工作区，它的元件与测试仪表都可以直接被拖放到工作区，可以通过单击鼠标左键用导线把它们连接起来，它的操作区域与生活中的实物基本一样。（3）独具一格的虚拟与现实相结合的优点在NI Multisim11仿真软件的电路仿真的基础上，一套教学实验室虚拟仪表套件（ELVIS）被NI公司专门设计出以后，在NI ELVIS软件平台上用户可以搭建自己设计的实际电路，对实际电路的波形测试和性能指标分析利用NI ELVIS仪表也能够完成。NI ELVIS的各种操作可以在NI Multisim11电路仿真环境中被操作者任意模拟，给实际NI ELVIS仿真软件平台上搭建、测试实际电路巩固了良好的基础。NI ELVIS仪表在NI Multisim11虚拟仿真环境中任意调用允许我们自定制和进行灵活的测量，以此用来完成虚拟仿真数据与实际测试的数据的比照。（4）搭建一个数字的电路在NI Multisim11仿真软件的电路仿真的环境中，通过测试功能没有错误以后，执行菜单命令便会被生成最初VHDL语言，更加有助于初学VHDL语言的操作着对比学习VHDL中的语句。我们在现场可编程门阵列（FPGA）硬件中将这个VHDL的文件使用，就这样简洁了FPGA的开发过程。（5）丰富的元器件自带元件库中的元件数量超过一万七千个，工科学校电子课程的需求会大部分基本满足。拥有有许多的虚拟分离元件、集成元件的NI Multisim11仿真软件中的元件库，许多的实物元件的模型也含在其中，给出了许多的著名制造商的名字，例如Microchip、National Semiconductor和Texas Instruments等。（6）SPICE 3F5仿真软件与XSPICE软件的核心用来当做仿真详细的仿真分析的引子，可以进行SPICE软件仿真、RF软件仿真、MCU软件仿真与VHDL软件仿真。第2章 常见电路仿真2.1 放大电路的仿真分析2.1.1 放大的概念放大电路是模拟电子电路中最为基础一种电路，也是最为常见的一种既普通又典型的电路。例如我们在日常生活中使用的收音机、电视机、还是一些精密的测量仪器等，其中都或多或少的包含有各种各样的基本的放大电路。可以看出，放大电路是应用十分广泛的模拟电子电路。其实“放大”，我们从字面意思上看，似乎也就是将信号的幅值由小变大那么简单。但是，在课程模拟电子技术基础中我们能明确的了解到，在它里面的放大电路中，“放大”的最终意思首先就是实现能量的控制。其实也就是用能量相对较小的输入信号来控制另外一个信号源，从而让能量相对比较大的信号给予输出端的负载。于是负载上的信号的变化规律就是被输入信号控制的，然而负载上的较大的能量是由其他能源提供的。就像收音机天线接收的信号十分弱小，只有经过放大处理才能够驱动扬声器发出声音。我们在现实中听到来自扬声器什么样的声音完全取决于天线所接收到的信号，然而对于相对较大的音量，它的能量而是来源于另一个直流电源。故而，这种由较小的能量控制相对较大的能量的控制就是放大的最终意义。此外，放大作用是针对变量而言的。放大就是指当一个输入信号有一个相对较小的变化的时候，在它的输出端的负载将会得到非常大的变化量。然而放大电路的放大倍数，也是用它的输出信号比上输入信号的变化量。故而，放大的真实作用，真正放大的对象其实是信号变化量。2.1.2 共射极放大电路仿真分析 1. 实验电路我们在本节所要测试的实验电路是处于稳定工作点的共射极放大电路，在Multisim仿真软件中找出自己设计的电路所需要元器件设置好它们的参数。接着把设计电路图在Multisim仿真软件中绘制出来，如下图2-1-1所示：图2-1-1 具有稳定工作点的共射极放大电路在上图2-1-1中所看到的是处于分压式稳定工作点的共射极放大电路原理图。把R1与R2组成的分压电路当做它的偏执电路，在发射极接入电阻R3与R7，让它来稳定放大器的最佳静态工作点。因此，当在放大器的输入端加入输入信号以后，在放大器的输出端就会得到一个相位相反且被放大了的输出电压，就这样实现反相电压的放大效果。 2. 静态工作点的测试与调整本节重要的额环节是寻找放大电路的静态工作点，静态工作点是否理想，对性能和输出波形的影响都比较大；如果工作点偏低，产生截止失真是很容易的，即输出电压的正半周就会被削顶。如果得到的工作点较高，就会在放大器在添加交流信号之后发生饱和失真的现象，此时输出电压的负半周就会出现被削底的现象。但是，不失真放大的要求被违背。因此，在选择了工作点之后还需要进行动态调试，需要在放大器的输入端加上一定的输入电压，而且记录输出电压的大小和波形能否满足自己的要求。另外，上面所叙述的工作点的“偏低”和“偏高”是相对的，假如输入信号幅度比较小，此时工作点就是非常低或者非常高也是不一定会出现失真的现象。确切地来说，信号幅度和静态工作点设置不符合将会产生波形失真的结果。如果满足输入信号比较大的幅度的要求，那么静态工作点就最好接近交流负载下线的中心。 3. 静态工作点的调整原理与方法原理：当放大电路的参数确定后，静态工作点的改变是随着电位器阻值的改变在负载上发生变动而决定的。放大电路的静态工作点是电路输出电压值为最大不是真输出电压时候的数值。方法：一起调节放大电路中的输入信号和电路中的电位器，而且运用示波器时时刻刻监视着放大电路的输出电压，直到输入信号只要一有变大，这时候截止失真与饱和失真就会出现；然而输入信号有一些减小的时候，截止失真与饱和失真的现象的输出信号同时消失，此时的放大电路即处于最佳静态工作点。下图2-1-2即是共射极放大电路处在最佳静态工作点时的最大不失真电压的仿真结果。图2-1-2 最大不失真电压 4. 静态工作点的测量最大不失真电压出现在放大电路中出现的时候，共射极放大电路的最佳静态工作点就是此时。这时，将电路的输入端与地相接，而且进行静态工作点的测量。在Multisim仿真软件中，放大电路的静态工作点的测量措施包括直接测量方法和直流分析法两种方法。（1）直接测量法。在直接测量法中又包括了用电压表、用电流表测量，用万用表测量、用测量探针测量。在这里我们以万用表来做事例。我们首先将万用表接入自己设计电路中，按照自己所需要求接到特定的电位点来进行测量与分析。如下图2-1-3所示，在Multisim 11仿真软件中点击仿真开关的功能，即开始进行电路仿真与结果的分析。此时，万用表中所显示的工作电压数值，就是放大电路工作在最佳状态点时候的数值。图2-1-3 用万用表测量静态工作点（2） 直流工作点分析法在放大电路工作在最佳工作点的时候，在Multisim仿真软件中点击直流工作点分析功能的按钮来测量上图2-1-3电路的静态工作点即可，分析结果如下图2-1-4:图2-1-4 直流工作分析结果 5. 放大器动态指标测试（1）电压放大倍数的测量必须把放大电路调增到合适的静态工作点，才能测量电压放大倍数，然后给予出入电压，在输入电压不失真的情况下，接入交流毫伏表，测出来输入电压和输出电压，即可得到电压放大倍数为=在如图2-1-5所示的电路中，把开关S1、S2关上，与此同时把函数发生器XFG1打开，把输入电压改成10mV，调整频率改成1kHz。然后在Multisim软件中点击仿真按钮进行电路的仿真分析。接着在打开的示波器XSC1中观察输入电压波形和输出电压波形。在输出电压波形没有失真的情况下，使用万用表XMM1和XMM2测出输入电压的有效值和输出电压的有效值。图2-1-5 放大电路动态指标测量电路（2） 输入电阻的测量从放大器的输入端看进去的等效电阻就是放大电路中所谓的输入电阻，它表明了放大器对信号源的起作用的大小。如果想要得到放大器中的输入电阻，在放大器正常工作情况下，按图2-1-6所示的电路中，把已知电阻R接入被测量放大器的出入端和信号源之间，把和用交流毫伏表测出来，于是在根据输入电阻的公式计算就出来了=在上图2-1-5所示的电路中，关上开关S2，打开图中函数发生器XFG1，会弹出一个界面，把栏中输入电压改为=20mV，把栏中的频率改为=1kHz。然后在Multisim软件中点击仿真按钮进行仿真分析，接着在工作区打开示波器XSC1会弹出个页面，接着观察输入电压和输出电压波形的结果。在输出电压波形正常的情况下，操作开关S1，分别在打开和闭合的情况下用万用表测出输出电压波形的有效值=72.969mV与=88.249mV，于是按照下式计算输入电阻。=9.55k（3）输出电阻的测量实际上是从放大器输出端看进去信号源的等效电阻就是放大器的输出电阻。我们可以把一个理想的电压源和输出电阻串联所构成的电路等效为放大器的输出端。把输出电阻理解为放大器输出的方式和带负载的能力。在本节实验中通过测量放大器空载时的输出电压和加上负载后的输出电压，来测试其输出电阻。在如图2-1-6所示的电路图中，在放大器不失真和饱和截止的条件下，把输出端不接入负载时的输出电压和接入负载时的输出电压测量出来，根据=可得=这个时候，关上开关S1，然后紧接着打开函数发生器XFG1，在弹出来的界面中把输入电压栏中的数值改为=20mV，把频率栏中的数值改为=1kHz,在Multisim软件中点击仿真进行仿真分析。当打开S2时，万用表XMM2这个时候的读数为=220.8mV；当打开S2时，万用表XMM2这个时候显示的读数为=88.3mV。因此，计算出=4.668k。图2-1-6 放大电路输入电阻测量原理2.2 RC一阶电路仿真分析2.2.1 RC一阶电路的特征在RC一阶电路中最明显的特征是含有电感或电容等储能元件。由于储能元件的特点，因此，在电路状态发生改变时，会产生一个过渡过程。在此过程期间，电路中的电压、电流会处于暂时的不稳定状态，因此成为暂态过程。由RC串联组成的电路图如图2-2-1所示。当开关S1接通电源V1时，V1此时会通过电阻R1对电容C1进行充电；当开关由上面的触点切换到下端的触点是，这时电容C1将经历通过电阻R1的放电过程；在充电和放电的过程中，电路就处于暂态过程。与此同时，我们在此暂态过程中记录电容通过电阻放电时的放电电流和电压随时间变化的规律。这种电流和电压随时间的变化，即成为RC一阶线性电路的时域分析。在一阶线性电路的零输入响应和零状态响应中时域分析是非常常用的方法之一。图2-2-1 RC电路的电容充放电仿真电路2.2.2 RC一阶动态电路仿真分析 1. RC电路的零状态响应的仿真分析通俗的讲电容C1充电的过程就是RC电路的零状态响应。根据上图2-2-1可以看出，当S1切换到上面端点的时候，电容C1正在充电。也就是在此过程中我们将对电容两端用Multisim进行了仿真，即可得到RC一阶电路零状态响应曲线。仿真结果如下图2-2-2：图2-2-2 零状态响应曲线在充电过程中，电压随时间不断的变化最后达到稳定。其实，在RC一阶电路中存在一个时间常数，当时间大约达到3-4时电容即将饱和，亦电容充满。从图中亦可看出电容C1的电压随时间的变化。 2. RC电路的零输入响应的仿真分析RC电路的额零输入响应的仿真分析即是研究电容C1放电的过程。同样，从图2-2-1中我们可以看出，当电容充满电时，把开关S1切换到下面的端点，这时电容C1处于放电过程。在此时的过程中我们将对电容两端的电压用软件Multisim进行仿真，即可得到RC一阶电路零输入响应曲线。仿真结果如下图2-2-3：图2-2-3 零输入响应曲线在放电过程中，电压不断随时间的变化而逐渐变低最后变为零。其实，RC一阶电路的放电和充电过程是一样的，放电的长短也是和时间常数有关，当放电时间达到3-4时电容放电完成。从图中也可看到电容C1的电压对时间的变化。 3. 一阶RC电路的全响应仿真分析其实，零输入响应和零状态响应之和就是一阶RC电路的全响应，这是因为电路的全响应是由出入激励和原始状态共同产生的响应，而上述提到的零输入响应和零状态响应分别是由原始状态和输入激励产生的，故而说全响应是零输入响应和零状态响应的汇总。这就是叠加定理应用于线性动态电路的结果。首先，在Multisim软件搭建出如下图2-2-4所示的一阶RC电路的全响应仿真电路。图2-2-4 一阶RC全响应仿真电路然后，在点击图中的函数发生器XFG1的图标，它会弹出上如图2-2-4中所显示的一样图形，在弹出的函数发生器XFG1面板参数设置中，选择方波信号，接着设置频、，占空比和幅值分别为50Hz、50%和10V。最后，在Multisim软件中点击仿真开关进行仿真，接着双击示波器XSC1图标，在弹出的面板中即可看到出入的方波信号和一阶RC电路全响应波形，如下图2-2-5所示。图2-2-5 输入方波和输出电容全响应波在图2-2-1所示的RC一阶电路中，不管是零输入响应、零状态响应、全响应，都存在这一个时间常，其实时间常数可以用电阻R和电容C的乘积来计算。即与上述结果一样，在电容器充电和放电过程中电压和电流都会发生变化，而且我们能够看出，大约在总量变化的63%所需要的时间时，就能测出时间常数。即大约3-4。第3章 简单滤波电路仿真3.1 本章引言滤波的由来其实是根据一个在工程上提出的理念。根据高等数学的一些理论，满足一定条件的任何一个信号，都可以被当做是用无限多个正弦波共同作用的而成的。换另外一句话而言，也就是工程信号是由不同频率和不同性质的正弦波而构成的，而这些组成信号的有区分的频率的正弦波称为信号的频率成分。滤波电路的作用最终意义上就是“选择频率”，它的最终目的也就只让一些需要的频率的信号通过，而将另外一些不在允许范围内频率的信号拦截，称为滤波。其实，最早在无线电的通信、自动测量和控制系统上，就常常会利用滤波电路进行模拟信号的处理，例如经常会用在数据传送、抑制干扰上等。滤波器根据工作信号的频率范围可以分为四大类分别是低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。低通滤波器从字面意思就很明了的看出就是低频信号能够顺利的通过而高频信号则不能通过；显而易见，高通滤波器则与其恰恰相反，也即是高频信号能通过而低频信号不能通过；带通滤波器是设置了一个频带范围只要信号在其里面就能够很容易的通过，而在这个设定的频率范围外的所有信号都不能通过；而带阻滤波器的性能也是恰好与其相反，都是在设定了一个频带范围内，在里面的信号被阻断，但只要在设定的此频带范围之外的信号全部通过。尽最大可能降低在脉动的直流电压中的交流电压成分才是滤波电路的最终目的，它的直流成分才是我们要的结果，我们要使输出的电压波动大大降低，使波形变得没有无波动。从这里也可以很清楚的知道滤波电路的作用的重要性，在我们现实生活中作用更是巨大。3.2 低通滤波电路的仿真分析 1. 低通滤波器的特性通俗来讲，用来通过低频信号、衰减或抑制高频信号的电路波形即是低通滤波器的作用。正如下图3-1（a）所示为典型的二阶有源低通滤波器。它是由两级RC滤波环节与同相比例运算电路结合而成的，其中第一级电容C接至输出端，给以适量的正反馈能量，来修正幅频特性。下图3-1（b）为二阶有源低通滤波器的幅频特性曲线。 （a）电路图 （b）频率特性图3-1 二阶低通滤波器 2. 电路性能参数二阶低通滤波器的主要参数包括以下几个内容：通带增益、截止频率、品质因数。二阶低通滤波器的各个参数，是影响其滤波特性的关键因素，比如它的阻尼系数的大小，决定了幅频特性是否有峰值，后者它的谐振峰的高低。对于其主要参数的计算是一个非常重要的过程。因此，它要求我们的要谨慎细微的做好计算的工作。二阶低通滤波器的通带增益为：二阶低通滤波器的截止频率是二阶有源低通滤波器通带与阻带的界限频率：二阶低通滤波器的品质因数的大小影响低通有源滤波器在截止频率处幅频特性的形状：在2<<3时，>1,在处的电压增益将大于，幅频特性在的时候将升高，如图3-2所示。当时,此时有源滤波器将会产生自激效果。而且由于将电容C1接到了输出端上，这样就等于在高频的一端给低通滤波器加了一些正反馈的能量，所以在高频端的放大倍数必定会有所升高，甚至有非常大引起自激荡的可能。一旦实验产生了自激的效果，那就造成实验失败的结果。因此，我们在实验的时候一定要非常非常的小心，尽我们最大的可能来避免产生自激的可能。 3. 电路设计在本次试验中我们设计了一个低通有源滤波器电路。它的要求分别为：使最终它的截止频率为10Kz；而且在选用电容选用1nF，使电压增益等于二。由公式计算得出,去标称值。有公式，则，取，。其中运算放大器的型号则是采用UA741。 4. 电路仿真在Multisim软件中找出自己设计的电路中所需的元器件并设置好它所需要的参数，接着搭建好低通有源滤波器电路即可，如下图3-2所示即是已经建立好的二阶低通有源滤波器。接下来只需要根具要求来完成电路的仿真与分析即可达到目的。图3-2 二阶低通滤波器在建立好的上图3-2中，根据自己的设计要求来设置一些硬件的参数。依据实验的原理根据实验的要求在仿真电路中把函数发生器XFG1所提供的输入信号设置为：幅度栏中改为500mV、频率栏中改为5kHz、波形应用正弦波信号。电路的输入信号、输出信号分别应用示波器XSC1的通道A，B监测。用波特图测试仪XBP1来测量电路的频率响应，设置器参数如下图3-3（a）所示。在所有所需设置参数的硬件设备设置完毕后，在Multisim软件中点击仿真开关进行仿真分析。在示波器XSC1中清晰显示出来，波形如图3-4所示，低通有源滤波器的幅频特性如图3-3（b）所示。（a）低通滤波的通带增益（b) 低通滤波器的截止频率图3-3 低通滤波器的频率特性在示波器XSC1中我们能看出输出波形和输入波形的比例大约是2倍，从图3-4（a）我们可以看出它的通带增益为6.02dB，当我们手动操作把它下降了3dB大约为3.02dB时，这个时候与它对应的频率我们从图3-4（b）中可以看出大约为10kHz，也就是截止频率，通过仿真表明该设计与理论值很接近。图3-4 输入、输出波形图实验结果看出，只要电路参数设置合理，就可以构成性能良好的低通滤波电路。3.3 高通滤波电路的仿真分析1.高通滤波器的特性高通有源滤波器和低通滤波器恰恰有着相反的特性，高通滤波器用来通过高频信号，而阻挡或衰减低频信号，说白了就是不让低频率通过。其实高通滤波器很容易组成，只要把低通滤波电路中起滤波作用的电阻和电容变换就可以了，这样就是二阶有源滤波电器，如图3-5（a）所示。从其两者的电路相似性也大概可以推出，高通滤波器和低通滤波器两者有着相反的性能，它们的频率响应自然而然就是相反的关系，从而我们按照低通滤波电路的分析方法不难求得高通滤波电路的幅频特性，如图3-5（b）所示。它的幅频特性曲线和二阶低通滤波电路的幅频特性曲线正好相反且对照。 (a) 电路图 （b）幅频特性图3-5 二阶有源高通滤波器 2.电路的性能参数二阶高通滤波器的通带增益为：二阶高通滤波器的截止频率是二阶有源高通滤波器通带与阻带的界限频率：当时，此时高通有源滤波器的幅频特性曲线的斜率为+40dB/十倍频；当时，高通滤波电路会产生自激。 3.电路设计此次试验我们设计一个简单高通滤波器，它的要求：截止频率为1.58kHz、电容选用10nF，=1.58。由公式我们可以计算得出，取其标称值10.0。由公式，则，取，。运算放大器采用TL081。4.电路仿真在Multisim仿真软件中找出自己设计电路对需要的元器件并设置好自己所需要的参数值搭建好高通有源滤波器电路，如下图3-6所示。图3-6 二阶高通滤波电路同通低通滤波电路仿真分析步骤一样，首先在建立好的上图3-6中，根据自己的设计要求来设置一些硬件的参数。在仿真电路中把函数发生器XFG1所提供的输入信号设置为：幅度栏目中为500mV、频率栏目中为5kHz、波形栏目中为正弦波信号。电路的输入信号、输出信号用示波器XSC1的两个通道A，B分别观测。用波特图测试仪XBP1来测量电路的频率响应，设置器参数如下图3-7（a）所示。在所有所需设置参数的硬件设备设置完毕后，在Multisim软件中点击仿真开关进行仿真分析。波形如图3-8所示，低通有源滤波器的幅频特性如图3-7（b）所示。（a）高通滤波器的通带增益（b）高通滤波器的截止频率图3-8 二阶高通滤波器幅频特性在示波器XSC1中我们能看出输出波形和输入波形的比例大约是2倍，从图3-8（a）我们可以看出它的仿真结果通带增益为3.9dB，当我们手动操作把它下降了3dB大约为0.9dB时，这个时候的频率我们从图3-8（b）中能够看出大约为1.61kHz，也就是截止频率。我们可以看出这次的仿真设计和理论值很接近。如果给出合理的误差范围，这种结果是非常接近理论值的。图3-9 输入、输出波形图3.4 带通滤波电路的仿真分析通常用频率响应来描述滤波器的特性。对于滤波器的幅频响应，常把能够通过信号的频率范围定义为通带，而把受阻或衰减信号的频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。滤波器在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。 1. 带通滤波器的特性带通滤波器就是一个只允许在某一个通频带范围内的信号通过，只要低于通频带下限频率或比上限频率高的信号就全部加以抑制或衰减，在这里我们需要注意的是：必须要求在高通的下线截止频率时一定要小于低通的上限截止频率。如果把他们设置反了将成为带阻滤波器。其实将二阶有源低通滤波器中的一级改为高通就可构成较为典型的带通滤波器，如下图3-10所示。 （a）电路图 (b)幅频特性图3-1 二阶带通滤波器 2. 电路性能参数二阶带通滤波器性能参数如下：通带增益：中心频率：通带宽度：品质因数本电路自身有自