用Multisim分析二阶低通滤波器电路

摘 要：以Multisim为平台分析了二阶低通滤波器电路。使用虚拟示波器等虚拟元件，采用交流分析方法和参数扫描分析方法仿真分析了二阶低通滤波器电路的工作特性，及各元件参数对输入输出特性的影响，并演示了Multisim中虚拟仪器及各种分析方法的使用。仿真得到了该电路在低频状态下的通带电压放大倍数AUP=2，电路的截止频率fP=148.495 2 Hz。仿真结果与理论计算相符。

关键词：Multisim；二阶低通滤波器电路；电子电路仿真分析；虚拟示波器；交流分析；参数扫描分析

中图分类号：TM13 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1715603

Analysis of Second Order Low-pass Filter Circuit Using Multisim

PENG Yanfeng1,LIU Xichun1,PENG Zhihua2

(1.College of Physics and Information Science,Hunan Normal University,Changsha,410081,China;

2.School of Mathematics and Physics,University of South China,Hengyang,421001,China)

Abstract：In this paper,second order low-pass filter circuit is analyzed based on Multisim.With virtual instruments including a virtual oscilloscope,the working characteristics of second order low-pass filter circuit and the influences of all instruments on the result of output using AC analysis and parameter scanning analysis are described.Further,the virtual instruments and analysis methods in Multisim are demonstrated.Using simulation analysis,passband voltage magnification of the second order low-pass filter circuit in low frequency range AUP=2,the cutoff frequency of the circuit fP=148.495 2 Hz.The simulation results are in reasonable agreement with theoretical values.

Keywords：Multisim;second order low-pass filter circuit;electronic circuit simulation analysis；virtual oscilloscope;AC analysis;parameter sweep

1 引 言

Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司近年推出的电子线路仿真软件EWB(Electronics Workbench,虚拟电子工作平台)的升级版［1］。Multisim为用户提供了一个集成一体化的设计实验环境。利用Multisim，建立电路、仿真分析和结果输出在一个集成菜单中可以全部完成。其仿真手段切合实际，元器件和仪器与实际情况非常接近。Multisim 元件库中不仅有数千种电路元器件可供选用，而且与目前较常用的电路分析软件 PSpice提供的元器件完全兼容［2］。Multisim提供了丰富的分析功能，其中包括电路的瞬态分析、稳态分析、时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析和离散傅里叶分析等多种工具。本文以Multisim 为工作平台，深入分析了二阶低通滤波器电路。利用 Multisim可以实现从原理图到PCB布线工具包 (如 Electronics Workbench的 Ultiboard)的无缝隙数据传输，且界面直观，操作方便［3］。

2 电路设计

由于一阶低通滤波器的幅频特性下降速率只有-20 dB/10 f，与理想情况相差太大，其滤波效果不佳［3］。为了加快下降速率，使其更接近理想状态，提高滤波效果，我们经常使用二阶RC有源滤波器。采取的改进措施是在一阶的基础上再增加一节RC网络。

电路结构如图1所示， 此电路上半部分是一个同相比例放大电路，由两个电阻R1,Rf和一个理想运算放大器构成。R1与Rf均为16 kΩ。下半部分是一个二阶RC滤波电路，由两个电阻R2,R3及两个电容C1,C2构成。其中R2,R3均为4 kΩ，C1,C2均为0.1 μF。电路由一个幅度为1 mV，频率可调的交流电压源提供输入信号，用一个阻值为1 kΩ的电阻作为负载。

3 理论分析

3.1 频率特性

二阶低通滤波器电路的频率特性为［4］:ИAU(jω)=Uo(jω)Ui(jω)=AUP1+j3ωω0+jωω02ИЪ:ИAU(jω)=AUP1+j3ff0+jff02(1)И其中 Е鬲0=2πf0=1RC=2 500 r/s。

图1 二阶低通滤波器电路3.2 通带电压放大倍数AUP

低频下，两个电容相当于开路，此电路为同相比例器［5］。ИAUP=1+RF/R1=2И3.3 特征频率f0与通频带截止频率fP

二阶低通滤波器电路的特征频率为［5］:Иf0=12πRC398.1 Hz

根据fP的定义，当f=fP时，应有:ИИ1－(fPf0)2+j3fPf0=2(2) ИЪ:fP0.37f0147.3 Hz

4 Multisim分析

4.1 虚拟示波器分析

在Multisim软件的虚拟仪器栏中选择虚拟双踪示波器，将示波器的A、B端分别连接到电路的输入端与输出端(即图1中的1、3节点)，再点击仿真按钮进行仿真，得到如下波形。

图2为输入信号频率为1 kHz，幅度为1 mV时二阶低通滤波器电路的输入输出情况。图中横坐标为时间，纵坐标为电压幅度。我们选择示波器扫描频率为1 ms/div。纵轴每格均代表1 mV，输出方式为Y/T方式。幅度大的为输入信号，幅度小的为输出信号。

图2 应用虚拟示波器得到的二阶低通滤波器

电路的输入输出波形很显然，输出信号的频率与输入信号一致，说明二阶低通滤波器电路不会改变信号频率。从图2还可以看出，在输入信号频率较大(如1 kHz)时输出信号的幅度明显小于输入信号的幅度。而低频情况下的理论计算结果AUP=2；Ъ丛诘推登榭鱿率涑鲂藕诺姆度应为输入信号的两倍。很显然，输入信号频率较大时电路的放大作用已经不理想。

调节输入频率，使之分别为800 Hz,600 Hz,400 Hz,300 Hz,200 Hz,150 Hz,1 Hz。由虚拟示波器得到输入频率为1 Hz时的输出电压Uo1=2 mV，即AUP=2，与理论计算值相吻合。而输入频率为150 Hz时Uo2=1.5 mV。此时Uo2最接近截止时的输出电压UP=0.707Uo1=1.414 mV。这说明截止频率fPЫ咏150 Hz。

我们发现，仅通过虚拟示波器分析，既很难得出fPУ淖既分担也不能直观看出输入信号的频率对电路放大性能的影响，于是用Multisim中的交流分析来精确观察电路的输入输出特性。

4.2 交流分析(AC Analysis)

停止Multisim仿真分析(Multisim仿真分析与交流分析不能同时进行)，在主菜单栏中simulate项中选择Analysis中的AC Analysis。参数设置如下：起始频率为1 Hz，终止频率为10 MHz，扫描方式使用十进制，纵坐标以dB为刻度，在Output variables中选择输出节点(即图1中节点3)，然后点击simulate进行仿真分析，得到电路的幅频特性曲线如图3所示。

图3 二阶低通滤波器电路的幅频特性曲线

(输入信号频率为1 kHz，幅度为1 mV)4.2.1 通带电压放大倍数AUP的测量

从特性曲线可以看出，在低频状态下频率变化对AUP的影响不大,频率较大时AUP随频率增加而急剧减小。高频状态下输出电压则接近于0。从对话框中可知纵坐标最大值为6.020 4 dB,即AUP=2，в肜砺奂扑阒迪喾。

4.2.2 通频带截止频率fP的测量

fP为纵坐标从最大值(6.020 4 dB)下降3 dB时所对应的频率，即纵坐标为3.020 4 dB所对应的频率。将图3中右侧标尺移至3.020 4 dB附近，选其局部进行放大；再将该标尺精确移至纵坐标为3.020 4 dB处，得到的横坐标为148.495 2 Hz,即fP=148.495 2 Hz。这与理论计算得到的fP147.3 Hz基本一致。

4.3 参数扫描分析(parameter sweep)

当某元件的参数变化时，利用 Multisim 中的参数扫描分析功能可以得到电路输入输出特性的变化情况。

在主菜单栏中simulate项中选择Analysis中的parameter sweep。参数设置如下(以分析C1为例)：设备项中选择电容设备，元件名选择C1В参数选择电容量，电容量使用1e-006F,1e-007F,1e-008F三个值。点击more选项，选择AC Analysis(交流分析)，再选择节点3作为输出节点。点击simulate进行仿真，得到C1取上述三个不同值时电路的幅频特性曲线(如图4所示)。

图4 C1取不同值时二阶低通滤波器

电路的幅频特性曲线图4中，三条曲线由下至上对应的电容分别为1e-006F、1e-007F、 1e-008F,对应的截止频率分别为35.550 Hz,148.493 7 Hz,193.375 6 Hz。很显然，C1Ъ跣∫起电路的截止频率增大，通频带变宽。而C1У谋浠对电压增益基本无影响。

采用类似方法，我们得到C2,R1,R2,R3和Rf对电路性能的影响如下：C2,R2和R3的变小均会引起电路的截止频率增大和通频带变宽。而C2,R2和R3的变化对电压增益的影响不大。R1与输出电压幅度成反比，Rf与输出电压幅度成正比，但R1和RfУ谋浠不影响电路的频率特性。

5 结 语

由以上分析可知，Multisim 中的仿真分析结果与理论计算结果十分接近。Multisim既是一个专门用于电子电路设计与仿真的软件，又是一个非常优秀的电子技术教学工具。Multisim应用于课堂教学，丰富了电子技术多媒体辅助教学的内容，是教育技术发展的一个飞跃。Multisim以其具有的开发性、灵活性、丰富性、生动性、实时交互性和高效性等功能特征，极大地丰富了电子电路的教学方法，拓展了教学内容的广度和深度，为提高电子技术教学质量提供了又一个有效手段。

参 考 文 献

［1］黄智伟，李传琦，邹其洪.基于Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［2］熊伟，侯传教，梁青,等.Multislm 7电路设计及仿真应用［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［3］黄萍，李秀琴，孙继萍.RC有源滤波器电路的计算机辅助分析［J］.实验技术与管理,2005,22(12):39-41.

［4］孙筠.Multisim应用于电子技术实验教学的研究［J］.科技信息,2007,27:201-202.

［5］康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分［M］.北京：高等教育出版社，1999.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文