有源模拟带阻滤波器的设计与分析毕业设计论文

1、毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 题目：有源模拟带阻滤波器的设 计与分析 系 别：电气与电子工程系 专 业：电子信息工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 2012 年 5 月 21 日 毕业设计（论文）任务书 一、主要任务与目标： 1.本次设计主要任务： 完成满足设计要求的有源模拟带阻滤波器的理论设计并在相 关软件上进行仿真。 2.本次设计拟达到以下主要目标： （1）培养学生严谨治学的作风和求真务实的科学态度； （2）培养学生分析问题，灵活应用所学知识解决问题的能力； （3）培养学生通过利用各种渠道获取自己所需知识信息的能力； （4）培养学生工作方案的论证、分析、执行的能力； （5）培养学生

2、利用资料进行系统设计的能力； （6）培养学生利用计算机进行大量数据计算得出可用结果的能力； （7）培养学生利用各种绘图软件绘制工程图纸的能力； （8）培养学生的实验研究和数据处理能力； （9）提高科技论文写作方面的能力； 二、主要内容与基本要求： 本次设计主要内容： 1、根据有源模拟带阻滤波器的基本理论，选用器件给出硬件 实现方案。 2、采用相关软件进行系统的仿真测试。 3、按照层次化、模块化、参数化的设计思路，给出设计程序。 4、采用相关软件进行系统的仿真测试。 本设计基本要求： 1.努力学习、勤于实践、勇于创新，保质保量的完成毕业设计任 务书规定的任务。 2.遵守纪律，保证出勤，因事、因病

3、不能坚持正常设计，应事先 向指导教师请假，否则作为旷课处理。无论任何原因，不参加时 间达到 1/5 者，取消答辩资格，成绩按不及格处理。 3.独立完成规定的设计任务，不弄虚作假，不抄袭和拷贝别人的 工作内容,否则毕业设计成绩按不及格处理。 4.毕业设计说明书必须符合学院有关规范要求，否则不能取得参 加答辩的资格。 5.每天认真书写毕业设计日志，日志主要记载学生在毕业设计过 程中所涉及的学术问题，指导教师定时检查，并给予指导评定。 6.在实验室进行实验时，要爱护仪器设备，节约材料，严格遵守 操作规程及实验室有关制度。 三、计划进度： 1.毕业设计起止时间 第 5 周第 15 周 2.毕业设计进度

4、安排 第 5 周 ：毕业设计正式开始 ； 学生导师见面 ； 确定毕业设计 小组中每个学生的具体研究任务；借阅有关学术资料；其他准备 工作。 第 6 周: 对相关知识信息进行收集整理研究，初步确定设计方案 第 7 周 第 13 周：完成具体设计任务。 第 14 周：打印论文图纸，按照要求装订论文 ；撰写答辨提纲,进 行预答辩。 第 15 周：毕业设计答辩。 四、主要参考文献： 1.cnki 数据库、维普、万方等信息库的相关文献； 2.数字信号处理丛书； 3.proteus 丛书； 4.模拟电子技术和数字电子技术丛书。 5.常用电子元件手册、集成电路手册。 指导教师（签名）： 年 月 日 教研室审

5、核意见： （建议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进 度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。 ） 教研室主任签名： 年 月 日 注：任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发给 学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。 目 录 摘 要 .i abstract .ii 1、绪 论 .1 1.1 选题的目的意义.1 1.2 滤波器国内外研究综述.1 1.3 毕业设计所用的方法.2 2、滤波器概述 .3 2.1 有源滤波器概述 .3 2.1.1 有源滤波器定义及特点.3 2.1.2 有源滤波器分类.3

6、2.1.3 有源滤波器的类型.5 2.1.4 二阶有源滤波器的传输函数与性能参数.6 2.2 设计思路 .6 2.2.1 有源滤波器设计步骤.6 2.2.2 方案选择.7 3、硬件电路设计 .9 3.1 有源带阻滤波器的原理 .9 3.2 二阶带阻滤波器电路及工作原理 .9 3.2.1 方案一：压控电压源型二阶带阻滤波器.10 3.2.2 方案二：无限增益多路负反馈型二阶带阻滤波器.12 3.2.3 两种方案各自的特点.14 3.3 四阶带阻滤波器电路及工作原理.15 3.4 运算放大器 ne5532 的封装介绍.15 4、multisim 仿真分析.17 4.1 ewb 与 multisim

7、.17 4.2 二阶电路仿真.20 4.2.1 方案一电路仿真结果 .20 4.2.2 方案二电路仿真结果 .23 4.3 四阶电路仿真.25 4.4 仿真结果对比分析 .27 5、总 结 .28 参考文献 .29 致 谢 .30 摘 要 滤波技术是通信和工程测试领域的重要环节，随着数字化进程的不断推进， 滤波技术有了革命性的变化。继分立元件滤波器之后，集成元件实现的滤波器以 及数字滤波器相继涌现，但综合比较现有滤波器类型，rc 有源滤波器因其标准化 电路种类少，仅使用 r、l、c 元件、便于集成、性能好等特点，是模拟滤波器中 最实用、应用范围最广泛的滤波器。有源滤波器具有一定的电压放大和输出

8、缓冲 作用。按滤除频率分量的范围来分，滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、低 通滤波器和带阻滤波器。 本论文介绍了二阶有源带阻滤波器的具体功能及特点，根据滤波器快速设计 方法进行了巴特沃斯逼近带阻滤波器的电路设计和参数计算，最终用仿真软件 multisim7 对设计结果进行仿真并对仿真结果进行了分析。通过分析验证其结果 正确。 关键词：有源滤波器，带阻，multisim7，仿真 abstract filtering technology is the important link of the communication and engineering test field.along wit

9、h the development of the digital process, filtering technology has had a revolutionary change. the division components after filter, integrated components of the realization of the filter and digital filters have sprung up, but comprehensive comparison of existing filter types, rc active filter for

10、the standardized circuit less species, using only r, l, c components, facilitate integration, good performance, and other features, is the most practical simulation filter and the application scope of the most widely filter. active filter has certain voltage amplifier and output buffer role. accordi

11、ng to filter out the scope of the frequency component to points, filter can be divided into low-pass filter, high-pass filter, low pass filter and band elimination filter. this paper introduces the specific function and characteristics of the second order active band elimination filter, according to

12、 filter rapid design method on the bart wo approximation band elimination filter circuit design and parameter calculation, finally using simulation software multisim7 to simulate the design results and analyze the simulation results. through the analysis and testing, the result is correct. keywords:

13、 active filter, band elimination, multisim7, simulation 1、绪 论 1.1 选题的目的意义 模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。例如： 带通滤波器用作 频谱分析仪 中的选频装置；低通滤波器用作数字信号分析系 统中的抗混频滤波；高通滤波器被用于 声发射检测仪 中剔除低频干扰噪声； 带阻滤波器用作电涡流测振仪中的 陷波器等等。 近年来，各种基于电力电子技术的非线性装置在电力系统中的应用日益广泛， 使得谐波危害日益严重。为了保证电力系统的安全运行，必须对谐波污染进行治 理，以改善电能质量。就当前的工业现实而言，抑制谐波的基

14、本手段是装设各类 滤波器补偿装置。无源滤波器的结构简单，但易受电网阻抗和远行状态影响，与 系统发生谐振，且仅能补偿固定频率的谐波。而有源滤波器则可以解决这些问题， 并且可以自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性，因而具有极高的发展前景， 同时研究有源滤波器也具有重要的现实意义。 1.2 滤波器国内外研究综述 1917 年美国和德国科学家分别发明了 lc 滤波器，次年导致了美国第一个多 路复用系统的出现。20 世纪 50 年代无源滤波器日趋成熟。自 60 年代起由于计算 机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低 功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和廉价方向努力，

15、其中小体积、多功 能、高精度、稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向。导致 rc 有源滤波器、数字 滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到 70 年代后 期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80 年代，致力于各种 新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90 年代至现在主要致力 于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在 不断进行。 我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。从 整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。从下 面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况

16、：lc 滤波器占 50%；晶 体滤波器占 20%；机械滤波器占 15%；陶瓷和声表面滤波器各占 1%；其余各种 滤波器各占 13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤 波器集成化仍然是个重要课题。 目前我国对有源滤波器的研究还处于探索阶段，如何将其进一步完善并用于 实际中，以提高电网的电能质量，值得我们认真思考。主要集中在实验研究阶段， 离实用化还有较长的距离。从近年来的研究可以看出有源滤波器具有以下的发展 前景：将智能系统引入传统控制方法中；采用多电平或多重化主电路实现大容量 有源滤波器；随着 dsp 技术数字信号处理专用高速芯片控制技术的不断发展，实 现有源滤波器控制的

17、全数字化，将更有利于降低成本、全面工业化。 1.3 毕业设计所用的方法 设计方案 1）首先根据滤波器的基本原理，选用器件给出硬件实现方案。 2）画出有源带阻滤波器的原理图，然后对其进行复频域分析，讨论其频率 特性。 3）应用相关软件进行仿真测试。 实际电路分析 1）根据原理图和确定的各元件参数，焊接出实际电路。 2）实验室测试实际电路的频率特性。 3）对比分析实验和仿真结果。 2、滤波器概述 2.1 有源滤波器概述 2.1.1 有源滤波器定义及特点 滤波器在日常生活中非常重要，运用非常广泛，在电子工程、通信工程、自 动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各 样的滤

18、波器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种滤波器。 用集成电路实现的滤波器与其他滤波器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等 性能指标，都有了很大的提高。 若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电 路。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放） 组成，则称为有源滤波电路。 无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随 负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。无源滤波电路通常用在功率电 路中，比如直流电源整流后的滤波，或者大电流负载时采用 lc（电感、电容）电 路滤波。 有源滤波器由无源元件(一般

19、用 r 和 c)和有源器件(如集成运算放大器）组成。 因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。但电路 的组成和设计也较复杂。这类滤波器的优点是：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） ；缺点是：通带范围受有源器件（如集成运算放大器）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。 有源滤波器是运算放大器和阻容元件组成的一种选频网络。用于传输有用频段 的信号，抑制或衰减无用

20、频段的信号。通常使用的有源滤波器有低通滤波器、高通 滤波器、带通滤波器、带阻滤波器，通常用在信息处理、数据传输和干扰抑制等方 面。滤波器的阶数越高，其性能就越逼近理想滤波器的特性。高阶滤波器可以由若 干个一阶或二阶滤波器电路组成。因此，一个二阶滤波器的设计可作为滤波器的设 计基础。 2.1.2 有源滤波器分类 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。 低通滤波器(lpf)：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干 扰和噪声。 高通滤波器(hpf)：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器(bpf

21、)：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信 号干扰和噪声。 带阻滤波器(bef)：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 根据滤波器的特点可知，它的电压放大倍数的幅频特性可以准确地描述该电路 属于低通、高通、带通还是带阻滤波器，因而如果能定性分析出通带和阻带在哪一 个频段，就可以确定滤波器的类型。 识别滤波器的方法是：若信号频率趋于零时有确定的电压放大倍数，且信号频 率趋于无穷大时电压放大倍数趋于零，则为低通滤波器；反之，若信号频率趋于无 穷大时有确定的电压放大倍数，且信号频率趋于零时电压放大倍数趋于零，则为高 通滤波器；若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数均趋于零，

22、则为带通滤波器； 反之，若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数具有相同的确定值，且在某一频 率范围内电压放大倍数趋于零，则为带阻滤波器。 一般来说，滤波器的阶数 n 越高，幅频特性衰减的速率越快，越接近理想的滤 波器，但 rc 网络的阶数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。所以这里 主要介绍具有巴特沃斯响应的二阶有源滤波器的基本设计方法。 理想滤波器的幅频特性如下图 2.1 所示： 阻带 aup au o 阻带通带 阻带 o aup au aup au aup au o fpf 通带阻带 ffpo （a）（b） f fp1fp2 通带 （c） fp1fp2f （d） 通带通带 图 2.1

23、 理想滤波器的幅频特性 (a) lpf 的幅频特性 （b）hpf 的幅频特性 （c）bpf 的幅频特性 (d) bef 的幅频特性 2.1.3 有源滤波器的类型 巴特沃斯响应（最平坦响应）：巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦 度，该响应非常平坦，非常接近 dc 信号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3db,最终 逼近-20ndbdecade 的衰减率，其中 n 为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用 于低频应用，其对于维护增益的平坦来说非常重要。 贝塞尔响应：贝塞尔响应除了会改变依赖于频率的输入信号的幅度外，滤波 器还会为其引入一个延迟。延迟使得基于频率的相移产生非正弦信号失真。就像巴 特沃斯

24、响应利用通带最大化了幅度的平坦度一样，贝塞尔响应最小化了通带的相位 非线性，故又称为线性相移或恒定延时滤波器。 切比雪夫响应：在通带内，具有相等的波纹。截频衰减陡度比同阶数巴特沃 斯特性更陡度，比同阶数程时的衰减就超过 6ndb。在阶数 n 一定时，波纹越大， 截频衰减陡度越陡。相位响应也是非线性，但较之比巴特沃斯差。 上述滤波器，它们各有特点，在实际应用中，应该根据实际要求来选择滤波 器的类型。 如果要求通带响应平坦，对截频衰减陡度要求不太高，阶跃响应允许有过冲 的话，则应采用巴特沃斯滤波器。若对幅度平坦性要求不严，而对截频衰减陡度 要求较高的情况，应采用切比雪夫滤波器。而对那此在不失真地再

25、现信号这一要 求比衰减特性更重要的场合下，则应采用贝塞尔滤波器。 2.1.4 二阶有源滤波器的传输函数与性能参数 由 rc 元件与运算放大器组成的滤波器称为 rc 有源滤波器，其功能是让一定频 率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号，因受运算放大器带 宽限制，这类滤波器仅适用于低频范围。二阶 rc 滤波器的传输函数表如表 2.1 所 示： 表 2.1 二阶 rc 滤波器的传输函数表 类型传输函数性能参数 低通 2 c c2 v u fs q f s a sa （ av通带内的 电压增益； fc低通、高 通滤波器的截 止频率； 高通 2 c c2 2 v u fs q f s s

26、a sa （ f0带通、带 阻滤波器的中 心频率； 带通 2 0 02 0 v u s q s s q a sa （ q品质因数 带阻 2 0 02 22 0v u s q s )s(a sa （bw带通、带 阻滤波器的带 宽 2.2 设计思路 2.2.1 有源滤波器设计步骤 有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数 n，选择 具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波 器满足指标要求，具体步骤如下： 根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数 n。 选择具体的电路形式。 根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建 立起系数的方程组。

27、 解方程组求出电路中元件的具体数值。 安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。 2.2.2 方案选择 用运算放大器和 rc 网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。因为不用电 感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大 等缺点。由于运算放大器的增益和输入电阻高、输出电阻低，所以能提供一定的增 益和缓冲作用，这种滤波器的频率范围宽、稳定度高、精度高，并可用简单的级联 来得到高阶滤波器且调谐也很方便。 滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。 下面介绍设计中的考虑原则。 关于滤波器类型的选择 一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢

28、，一般在对带外衰减要求不 高的场合下选用。无限增益多路反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点 上它不如压控电压源型二阶滤波器。当要求带阻滤波器的阻带较窄时，可用低通滤 波器和高通滤波器合成，这比单纯用带阻滤波器要好。根据毕业设计要求，选择巴 特沃斯滤波电路。巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但是通 带到阻带衰减较慢。 级数选择 滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通或高通 电路可获得-6 db/倍频程（-20 db/十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路 可获得-12 db/十倍频程（-40db/十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函 数总特性的阶

29、数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为-m db/倍频程（m db/十倍频程）时，则级数 n 应满足 n 大于等于 m/6（n 大于等于 m/20）。由于本 设计要求为-40db/十倍频程，选择二阶有源带阻滤波器电路。 运放的要求 在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。为了满足足够深的反馈 以保证所需滤波特性，运放的开环增益应在 80db 以上。如果滤波器的输入信号 较小，例如在 10mv 以下，则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以至使 rc 网络中电阻元件的值超过 100 k ，则应选低漂移输入阻抗的运放。 元器件的选择 一般设计滤波器时都要给定截止频率 f c(w c)带

30、内增益 av，以及品质因数 q。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目， 因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计者自行选定某些元件值。 一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档减少，电容难配，而电阻易配， 可根据工作频率范围按照表 2.2 初选电容值。 表 2.2 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系 f （1-10） hz （10-102） hz （102-103）hz（1-10） khz （10-103） khz c （1-10） uf (10-0.1) uf （0.1-0.01)uf (104-103) pf (103-102) pf 电路形式的选

31、择 有源滤波器一般有两种形式，一种是压控电压源型滤波器，另一种是无限增益 多路负反馈型滤波器。两种形式都能实现特定的滤波功能，设计时可根据需要选择 具体的电路形式。 3、硬件电路设计 3.1 有源带阻滤波器的原理 将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，再将两个电路的输出电压 求和，就可以得到带阻滤波器，其中低通滤波器的截止频率fp1应小于高通滤波器 的截止频率fp2，因此电路的阻带为（fp2- fp1）。实用电路常利用无源 lpf 和 hpf 并联构成带阻滤波器电路，然后接同相比例运算电路，从而得到有源带阻滤波器， 由于两个无源滤波电路均由三个元件构成英文字母 t，故称之为双 t 网络。

32、 其原理如图 3.1 所示： 低通滤波器 高通滤波器 求和电路 ui uo 图 3.1 带阻滤波器的原理框图 3.2 二阶带阻滤波器电路及工作原理 常用的带阻滤波电路如图 3.2 所示，这种电路的性能和带通滤波器相反，即在 规定的频带内信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号 则能顺利通过。在双 t 网络后加一级同相比例运算电路就构成了基本的二阶有源 bef。 + _ ui uo r1 r3 c3 c1c2 r2 rf r1 1 f/f0 20lg（au/aup）/db 0 20 40 q=1 q=5 （a）电路图 （b）幅频特性 图 3.2 二阶带阻滤波器电路图及幅频特性

33、 其中 r1=r2=r,r3=r/2,c1=c2=c,c3=2c 电路性能参数如下： 通带放大倍数： 1 f up r r 1a 中心频率 rc21f0 传递函数： 2 up 2 upu rcsrcs sa2 21 rcs1 sasa （ （ （ 22 0 0 up up 0 up 2 0 2 0 upu ff ff a22 j1 a f f a22 j) f f (1 ) f f (1 sasa （ （ （ 通带截止频率： 0up 2 up1p f a21a2f（ 0up 2 up2p f a21a2f（ 阻带宽度： q f fa22ffbw 0 0up1p2p （ （ up a22 1 q

34、 3.2.1 方案一：压控电压源型二阶带阻滤波器 电路如图 3.3 所示，根据带阻滤波器的原理，压控电压源型二阶带阻滤波器 是由低通 rc 环节和高通 rc 环节并联组合而成，c1、c2、r3 组成高通环节， r1、r2、c3 组成低通环节。输入信号经过一个由 rc 元件组成的双 t 型选频网络 然后接至集成运放的同相输入端。 v1 c1c2 r1r2 r3 xbp1 inout xsc1 ab g t c3 vee -15v vcc 15v u1a ne5532p 3 2 4 8 1 图 3.3 压控电压源型二阶带阻滤波电路 电路的传输函数： 2 0 02 22 0up 21 2 2 2 2

35、1 2 2 f u s q s )s(a rrc 1 s cr 2 s ) rrc 1 s (a sa （ 其中， 1aa upf 213 r 1 r 1 r 1 0 21 2 0 f2 rrc 1 cr 2 q bw 2 0 1 2 r r 2 1 q 经查资料知巴特沃斯型二阶带阻滤波器快速设计表如下表 3.1 所示： 表 3.1 方案一设计表 压 控 电 压 源 电 路 电路元件值 r10.796/q r23.183q r3r2/(4q2+1) 设 计 表 电阻为参数 k=1 时的值，单位为 k ；增益为 1；品质因数为 q 注意事项： 电阻的标称值尽可能接近设计值，可适当选用几个电阻串、

36、并联；尽可能 采用金属膜电阻及容差小于 10%的电容，影响滤波器性能的主要因素是r/r、 c/c 及运放的性能。设计前应测量电阻、电容的准确值。 在测量过程中，若某项指标偏差较大，则应根据设计表调整修改相应元件 的值。 设计步骤： 根据截止频率，从表 2.1 中选定一个电容 c 的标称值，使其满足 )cf ( 100 k c 注释：c 以uf作为单位，fc以 hz 为单位。k 值不能太大，否则会使电阻的 取值较大，从而使引入的误差增加，通常选择 1k10。 经查表得，fc=1khz 时取 c=10nf，对应参数 k=10； 从设计表中查找与 av 相对应的电容值及 k=1 的电阻值。再将这些阻

37、值乘 以参数 k，即得到电阻的设计值。 1）q=2 时由表 3.1 得电阻 r1=0.796/q=0.398 k ， r2=3.183q=6.366 k ， r3=r2/(4q2+1)=0.3745 k ,将上述阻值乘以参数 k=10，取得 r1=3.98 k ,取标称 值 4 k ，r2=63.66 k ，取标称值 64 k ,r3=3.745 k ，取标称值 3.7 k 。 2）q=0.5 时 r1=15.92 k ,r2=15.915 k ,r3=7.76 k 。 实验调整并修改电容、电阻值，使其满足设计要求，测量滤波器的性能参 数，绘制幅频特性曲线，并进行软件仿真。 3.2.2 方案二

38、：无限增益多路负反馈型二阶带阻滤波器 该电路由二阶带通滤波器和一个加法器组成，其框图和电路图分别如图 3.4 和 3.5 所示： 带通滤波器 uo ui 图 3.4 用带通滤波器和相加器组成带阻滤波器 v1 r1 r2 r3 r4 r5 r6 c1 c2u1a ne5532p 3 2 4 8 1 vee -15v vcc 15v vee -15v u2a ne5532p 3 2 4 8 1 vcc 15v xbp1 inout xsc1 ab g t 图 3.5 无限增益多路负反馈二阶带阻滤波电路 在集成运放输出到集成运放反相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段， 反馈的极性不相同，当信号频率

39、 ffc时（fc为截止频率） ，电路的每级 rc 电路 的相移趋于-90，两级 rc 电路的移相到-180，电路的输出电压与输入电压的 相位相反，故此时通过电容 c1 引到运放反相端的反馈是负反馈，反馈信号起着 消弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶带阻滤波器的 幅频特性高频段迅速衰减，阻止特定频段信号通过。 电路的传输函数： 2 0 02 22 0v 21 2 2 2 21 3 2 2 v u s q s )s(a rrc 1 s cr 2 s ) r 1 r 1 ( rc 1 sa sa （ 其中： 5143 rr2rr 3 6 v r r a ) r 1 r 1 (

40、rc 1 21 3 2 2 0 cr 2 q bw 3 0 无限增益多路负反馈型二阶带阻滤波器的设计表如表 3.2 所示： 表 3.2 方案二设计表 电路元器件值 r10.796q r2r1/(q2-1) r31.0 r44r1 r52.0 r6avr3 c10.33c 注：电阻为参数 k=1 时的值，单位 为 k ,增益为 av(反相)，品质因数 q 经查表得：f c=1khz 时取 c=10nf，对应参数 k=10； q=2 时由表 3.2 得 r1=0.796q=1.592 k ,r2=r1/(q2-1)=0.531 k ,r3=1.0 k , r4=6.37 k ，r5=2.0 k ；

41、取滤波器的增益 av=2，则 r6=2.0 k 。将上述电阻值乘 以参数 k=10，取得 r1=15.92 k ,取标称值 16 k ；r2=5.31 k ,取标称值 5.3 k ；r3=10.0 k ；r4=63.68 k ,取标称值 64 k ；r5=20.0 k ；r6=20.0 k ； 增益 av=-r6/r3=-2； q=5 时由上述计算方法得： r1=39.8 k ,r2=1.7 k ,r3=10.0 k ,r4=159.2 k ,r5=20.0 k ,r6=20.0 k 。 3.2.3 两种方案各自的特点 方案一压控电压源型滤波器电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈，运算 放大器

42、为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低。因为同相输入端电 位控制由集成运放和反馈网络组成一个增益可控的电压控制电压源，故称之为压 控电压源滤波器，简称 vcvs 滤波器。巴特沃斯型二阶压控电压源型带阻滤波器 q 值较高，改变 r1 可以调整 f0，且 bw 或 q 保持不变，缺点是 av=1。 方案二无限增益多路负反馈型滤波器电路有两条负反馈支路，并且运算放大 器是作为一个无限增益器件来使用的，所以称为无限增益多路反馈电路。运算放 大器为反相接法。巴特沃斯型无限增益多路负反馈型带阻滤波器 q 值高，可用电 位器代替 r6 进行调整，改变 r4 可调整 bw 而不影响 f0，到地的直流通

43、路已由 r4 完成。 3.3 四阶带阻滤波器电路及工作原理 无限增益多路负反馈型四阶带阻滤波器电路如图 3.6 所示，它是由两个二阶 无限增益多路负反馈型带阻滤波器级联组成的，元件参数也与二阶时相同。 v1 r1 r2 r3 r4 r5 c1 c2u1a ne5532p* 3 2 4 8 1 vee -15v vcc 15v vee -15v u2a ne5532p* 3 2 4 8 1 vcc 15v xbp1 inout xsc1 ab g t r6 r7 r8 c3 c4 r9 r10 r11 r12 u3a ne5532p* 3 2 4 8 1 u4a ne5532p* 3 2 4 8

44、 1 vcc 15vvcc 15v vee -15vvee -15v 图 3.6 无限增益多路负反馈四阶带阻滤波电路 3.4 运算放大器 ne5532 的封装介绍 ne5532 为双放大器的运放芯片，其管脚图如图 3.7 所示： 图 3.7 ne5532 管脚图 第 1 管脚是第一级放大器的输出端； 第 2 管脚是第一级放大器的反相输入端； 第 3 管脚是第一级放大器的同相输入端； 第 4 和第 8 管脚分别为负直流源和正直流源输入端； 第 7 管脚为第二级放大器的输出端； 第 6 管脚是第二级放大器的反相输入端； 第 5 管脚是第二级放大器的同相输入端。 4、multisim 仿真分析 4.

45、1 ewb 与 multisim ewb 的全称是 electronics workbench（电子工作台） ，是加拿大 interactive image technologies（简称 iit 公司）20 世纪 80 年代推出的一种在电子技术界广 泛应用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为“计算机里的电子实验室” 。ewb 的 设计实验工作区好像一块“面包板” ，在上面可建立各种电路进行仿真实验。电 子工作平台的元器件库可提供几千种常用元器件，用户设计和实验时可任意调用。 ewb 的特点是系统高度集成，界面直观，操作方便，主要表现在元器件的 选取、电路的输入、虚拟仪表的使用以及进行各种分析都可

46、以在屏幕窗口直接操 作，与实物一样直观。ewb 的电路分析手段完备，提供多种不同的分析，包括 对电路基本参数的分析、电路特性的分析、电路结果误差的分析等多种方法。它 提供了仿真实验和电路分析两种仿真手段，可用于模拟电路、数字电路、数模混 合电路和部分强电电路的仿真、分析和设计。 ewb 是一种优秀而易学的 eda（电子设计自动化）软件，与其他仿真分析 软件相比、ewb 的最直接特点就是提供了一个操作简便且与实际相似的虚拟实 验平台。它几乎能对电子技术课程中所有的基本电路进行虚拟实验，虚拟实验过 程和仪器操作方法与实际相似，但比实际方便、省时。它还能进行实际无法或不 便进行的实验内容，通过储存和

47、打印等方法可精确记录实验结果。ewb 建立在 spice 基础上，它具有以下突出的优点： 采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿实验室的工作台，绘 制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取； 软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结 果； 软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法； 作为设计工具，它可以同其他流行的电路分析、设计和制版软件交换数据； ewb 还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用 比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电 子仪器测量方法。 随着电子技术的飞速发展，低版

48、本的 ewb 仿真设计功能已远远不能满足新 的电子线路的仿真与设计要求。ewb 软件也在进行不断升级，国内常见的版本 有 ewb 4.0、ewb 5.0 发展到 5.x 版本以后，iit 公司对 ewb 进行了较大的变动。 跨入 21 世纪后，iit 公司在保留 ewb 原版本优点的基础上，为其增加了更多功 能和内容，特别是改进了 ewb 5.0 软件虚拟仪器调用有数量限制的缺陷，推出 ewb 6.0 版本，并取名为 multisim（意为多重仿真） ，也就是 multisim2001 版本。 它允许用户自定义元器件的属性，可以把一个子电路当作一个元件使用，并且建 设了相关网站，为用户提供元器

49、件模型的扩充和技术支持；2003 年，公司有对 multisim2001 进行了较大的改进，升级为 multisim7.0，增加了 3d 元器件以及安 捷伦的万用表、示波器、函数信号发生器灯仿实物的虚拟仪表，使得虚拟电子工 作平台更加接近实际的实验平台。 multisim7.0 功能已相当强大，能胜任各种电子电路的分析与仿真实验。它有 十分丰富的电子元器件库，可供用户调用组建仿真电路进行实验；它提供 18 种 基本分析方法，可供用户对电子电路进行各种性能分析；它还有多达 17 台虚拟 仪器仪表和 1 个实时测量探针，可以满足一般电子电路的测试和实验。但还有一 个缺点，就是将电阻的单位欧用“oh

50、m”3 个字母表示，使用起来不方便。除了这 一点之外，电子仿真软件 multisim7.0 已经相当成熟和稳定，是加拿大 iit 公司在 开拓电子仿真软件领域中的一个里程碑。 iit 公司继 multisim2001、multisim7.0 后，于 2004 年推出了 multisim8.0。 与低版本的 ewb 相比较，multisim8.0 继承了 ewb 的诸多优点，并且在功能和 操纵方法上有了较大改进，极大地扩充了元器件数据库，特别是大量新增的与现 实元器件对应的元器件模型，增强了仿真电路的实用性。新增的元器件编辑器给 用户提供了自行创建或修改所需元器件模型的工具，增加了射频电路仿真功

51、能， 这是目前众多通用电路仿真软件所不具备的。为了扩充电路的测试功能，增加了 瓦特仪、失真仪、频谱分析仪、网络分析仪等测试仪表，而且所有仪表都允许多 台同时调用。同时改进了元器件之间的连接方式，允许任意连线。专业版的 multisim8.0 支持 vhdl 和 verilog 语言的电路仿真与设计。它还具有丰富的帮助 功能，既有软件本身的操作指南，还有元器件的功能说明。 multisim8.0 具有多种功能，可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，并且设计 与实验可以同时进行，也可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元 器件与测试仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参

52、数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图； 试验中没有实际消耗的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成 本低，试验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。 multisim8.0 可以用于模拟电路、数字电路、自动控制、电力电子技术等相关实验 中。 2005 年以后，加拿大 iit 公司已经隶属于美国国家仪器（ni）公司，美国 ni 公司于 2006 年初首次推出 multisim9.0 版本。ni 公司推出的 multisim9.0 版本 与以前加拿大 iit 公司推出的 multisim7.0 版本有着本质上的区别。虽然它的界面、 元

53、器件调用方式、搭建电路、虚拟仿真、电路基本分析方法等还是沿袭了 ewb 的优良传统，但软件的内容和功能已大不相同，标志着设计技术的一个根本转变， 工程师有了一个从采集到模拟，再到测试及运用的紧密集成、终端对终端的电子 设计解决方案。 multisim9.0 包括 ultiboard9 和 ultiroute9，这些产品都是 multisim9.0 系列设 计套件的组成部分。multisim9.0 系列设计套件是一种紧密集成、终端对终端的解 决方案。工程师利用这一软件可有效地完成电子工程项目从最初的概念建模到最 终的产品的全过程。与之前的软件版本比较，其特点如下： 具有丰富的元器件库； 该软件为

54、设计人员提供了大量的元器件库，其中教育版提供了 13000 种，为 学习者提供了虚拟的 3d 面包板实验平台和 3d 元器件库，允许使用者搭建他们 的电路图并且在面包板上进行实验；multisim9.0 增加了微型控制器单元 （mcu）联合仿真和先进的外围设备，允许使用者在 spice 模型电路中利用汇编 语言控制 mcu 工作。 具有强大的仿真分析功能； 仿真分析是估算电路特性的一种数学方法。通过仿真分析，不必构造具体的 物理电路，也不必使用实际的测试仪器，就可以基本确定电路的工作性能。 multisim9.0 教育版提供了多达 24 种分析功能，如此多的分析功能是其他电 路分析软件所不能比

55、拟的，这也正是 multisim9.0 的特色之一。 具有多种常用的虚拟仪表； 与 ni 公司相关虚拟仪器软件的完美结合，提高了模拟及测试性能。 multisim9.0 集成了最新发布的 ni labview8 图形化开发环境软件和 ni signalexpress 交互测量软件的功能。这一软件通过桥接普通设计及测试工具来帮 助设计工程师提高效率，缩短电子产品上市时间。使用 multisim9.0，工程师可以 通过运用仿真数据来提高测试能力，这些实际的数据都是由 labview 采集的， 作为虚拟电路测试时的数据来源。通过集成模拟数据库及仿真测试，工程师可以 减少失误，缩短设计时间，增加设计量

56、。除了软件提供的 20 种仪器外，工程师 还可以运用 labview 实现完全自定义的虚拟仪器，并将这些仪器用在 multisim9.0 环境中。 4.2 二阶电路仿真 4.2.1 方案一电路仿真结果 q=2 仿真结果： 图 4.1 方案一 q=2 幅频特性曲线及波形图 图 4.2 方案一 q=2 交流分析图 q=0.5 仿真结果： 图 4.3 方案一 q=0.5 幅频特性图 图 4.4 方案一 q=0.5 交流分析图 结果分析 1）观测幅频特性 q=2 时,即 r1=4.02 k ，r2=63.4 k ，r3=3.74 k ，c1=c2=10nf,c3=20nf 时， 由图 4.1 知：av

57、=uo/ui=16.776/16.559=1.01，由图 4.2 仿真结果知： 20lgav=0db，即 av=1，中心频率 f0=998hz，电压负反馈型带阻滤波器的增益理 论值为 1，中心频率理论值为 1khz，有一定的误差。 q=0.5 时，由图 4.4 知，中心频率 f0=1khz，av=1，仿真结果与理论值相符。 从幅频特性曲线可以看出，在中心频率周围，频率变化对 aup影响较大， aup随频率增加而急剧减小和增大，中心频率下输出电压接近于 0。频率较低和较 高时，频率变化对 aup 的影响不大。 2）理论值计算及分析 带阻滤波器的中心角频率 w0、电路的品质因数 q 和电路的增益

58、av 分别为： 0 21 2 0 f2 rrc 1 1 2 r r 2 1 q 1aa upf 由上述式子可画出不同 q 值的幅频特性曲线，经过分析可得 q 的大小对滤波 电路的幅频特性影响很大，当 q=0.707 时幅频特性比较平坦，当 q0.707 幅频 特性会出现峰值现象。在 q=0.707 情况下，当 f=f0时，20lgau/aup=-3db，特征 频率 f0就是滤波器的中心截止频率，并且 q 越大曲线越尖锐。 3）不同 q 值仿真结果比较 将图 4.1 和图 4.3 进行比较知，q=2 时，通带放大倍数较大，频带较窄，选 频特性较好。 4.2.2 方案二电路仿真结果 q=2 仿真结

59、果： 图 4.5 方案二 q=2 幅频特性曲线及波形图 图 4.6 方案二 q=2 交流分析图 q=5 仿真结果： 图 4.7 方案二 q=5 幅频特性曲线图 图 4.8 方案二 q=5 交流分析图 结果分析 q=2 时,由图 4.6 仿真结果知：20lgav=6db，即 av=1.995，中心频率 f0=998hz。由图 4.5 知 av=uo/ui=-17.252/8.36=-2.02。 q=5 时，由图 4.8 仿真结果知：20lgav=6db，即 av=1.995，中心频率 f0=999hz。 比较图 4.6 和 4.8 知在中心频率相同的情况下，q 值越大，频带越窄，选频 特性越好。

60、 4.3 四阶电路仿真 无限增益多路负反馈型四阶带阻滤波器（q=2）仿真结果如图 4.9 所示。 图 4.9 四阶电路幅频特性及波形 图 4.10 四阶电路交流分析图 结果分析 由图 4.9 幅频特性曲线知：20lgav=12.014db，即 av=3.98，中心频率 f0=969hz；由波形仿真结果知：av=uo/ui=68.048/16.786=4.05，与二阶相比电 压增益增大一倍，中心频率及带宽都不变。 比较图 4.6 无限增益型二阶和 4.10 无限增益型四阶的交流分析知，滤波器的 阶数越高，幅频特性衰减的速度越快，即过渡带越窄，越接近理想滤波器的幅频 特性。 4.4 仿真结果对比分