用Multisim分析二階低通濾波器電路

1 引 言

Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司近年推出的電子線路仿真軟件EWB(Electronics Workbench，虛擬電子工作平臺(tái))的升級(jí)版。Multisim為用戶提供了一個(gè)集成一體化的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。利用Multisim，建立電路、仿真分析和結(jié)果輸出在一個(gè)集成菜單中可以全部完成。其仿真手段切合實(shí)際，元器件和儀器與實(shí)際情況非常接近。Multisim元件庫中不僅有數(shù)千種電路元器件可供選用，而且與目前較常用的電路分析軟件PSpice提供的元器件完全兼容。Multisim提供了豐富的分析功能，其中包括電路的瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域分析、頻域分析、噪聲分析、失真分析和離散傅里葉分析等多種工具。本文以Multisim為工作平臺(tái)；深入分析了二階低通濾波器|0">濾波器電路。利用Multisim可以實(shí)現(xiàn)從原理圖到PCB布線工具包(如Electronics Workbench的Ultiboard)的無縫隙數(shù)據(jù)傳輸，且界面直觀，操作方便。

2 電路設(shè)計(jì)

由于一階低通濾波器的幅頻特性下降速率只有-20 dB／10 f，與理想情況相差太大，其濾波效果不佳。為了加快下降速率，使其更接近理想狀態(tài)，提高濾波效果，我們經(jīng)常使用二階RC有源濾波器。采取的改進(jìn)措施是在一階的基礎(chǔ)上再增加一節(jié)RC網(wǎng)絡(luò)。

電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，此電路上半部分是一個(gè)同相比例放大電路，由兩個(gè)電阻R1，Rf和一個(gè)理想運(yùn)算放大器構(gòu)成。R1與Rf均為16 kΩ。下半部分是一個(gè)二階RC濾波電路，由兩個(gè)電阻R2，R3及兩個(gè)電容C1，C2構(gòu)成。其中R2，R3均為4 kΩ，C1，C2均為0.1μF。電路由一個(gè)幅度為1 mV，頻率可調(diào)的交流電壓源提供輸入信號(hào)，用一個(gè)阻值為1 kΩ的電阻作為負(fù)載。

3 理論分析

3.1 頻率特性

二階低通濾波器電路的頻率特性為：

3.2 通帶電壓放大倍數(shù)AUP

低頻下，兩個(gè)電容相當(dāng)于開路，此電路為同相比例器。

3.3 特征頻率f0與通頻帶截止頻率fP

4 Multisim分析

4.1 虛擬示波器分析

在Multisim軟件的虛擬儀器欄中選擇虛擬雙蹤示波器，將示波器的A、B端分別連接到電路的輸入端與輸出端(即圖1中的1、3節(jié)點(diǎn))，再點(diǎn)擊仿真按鈕進(jìn)行仿真，得到如下波形。

圖2為輸入信號(hào)頻率為1 kHz，幅度為1 mV時(shí)二階低通濾波器電路的輸入輸出情況。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為電壓幅度。我們選擇示波器掃描頻率為1 ms／div?？v軸每格均代表1 mV，輸出方式為Y／T方式。幅度大的為輸入信號(hào)，幅度小的為輸出信號(hào)。

很顯然，輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)一致，說明二階低通濾波器電路不會(huì)改變信號(hào)頻率。從圖2還可以看出，在輸入信號(hào)頻率較大(如1 kHz)時(shí)輸出信號(hào)的幅度明顯小于輸入信號(hào)的幅度。而低頻情況下的理論計(jì)算結(jié)果AUP=2；即在低頻情況下輸出信號(hào)的幅度應(yīng)為輸人信號(hào)的兩倍。很顯然，輸入信號(hào)頻率較大時(shí)電路的放大作用已經(jīng)不理想。

調(diào)節(jié)輸入頻率，使之分別為800 Hz，600 Hz，400 Hz，300 Hz，200 Hz，150 Hz，1 Hz。由虛擬示波器得到輸入頻率為1 Hz時(shí)的輸出電壓Uo1=2 mV，即AUP=2，與理論計(jì)算值相吻合。而輸入頻率為150 Hz時(shí)Uo2=1.5 mV。此時(shí)Uo2最接近截止時(shí)的輸出電壓UP=0.707Uo1=1.414 mV。這說明截止頻率fP接近150 Hz。

我們發(fā)現(xiàn)，僅通過虛擬示波器分析，既很難得出fP的準(zhǔn)確值，也不能直觀看出輸入信號(hào)的頻率對電路放大性能的影響，于是用Multisim中的交流分析來精確觀察電路的輸入輸出特性。

4.2 交流分析(AC Analysis)

停止Multisim仿真分析(Multisim仿真分析與交流分析不能同時(shí)進(jìn)行)，在主菜單欄中simulate項(xiàng)中選擇Analysis中的AC Analysis。參數(shù)設(shè)置如下：起始頻率為1 Hz，終止頻率為10 MHz，掃描方式使用十進(jìn)制，縱坐標(biāo)以dB為刻度，在Output variables中選擇輸出節(jié)點(diǎn)(即圖1中節(jié)點(diǎn)3)，然后點(diǎn)擊simulate進(jìn)行仿真分析，得到電路的幅頻特性曲線如圖3所示。

4.2.1 通帶電壓放大倍數(shù)AUP的測量

從特性曲線可以看出，在低頻狀態(tài)下頻率變化對AUP的影響不大，頻率較大時(shí)AUP隨頻率增加而急劇減小。高頻狀態(tài)下輸出電壓則接近于0。從對話框中可知縱坐標(biāo)最大值為6.020 4 dB，即AUP=2，與理論計(jì)算值相符。

4.2.2 通頻帶截止頻率fP的測量

fP為縱坐標(biāo)從最大值(6.020 4 dB)下降3 dB時(shí)所對應(yīng)的頻率，即縱坐標(biāo)為3.020 4 dB所對應(yīng)的頻率。將圖3中右側(cè)標(biāo)尺移至3.020 4 dB附近，選其局部進(jìn)行放大；再將該標(biāo)尺精確移至縱坐標(biāo)為3.020 4 dB處，得到的橫坐標(biāo)為148.495 2 Hz，即fP=148.495 2 Hz。這與理論計(jì)算得到的基本一致。

4.3 參數(shù)掃描分析(parameter sweep)

當(dāng)某元件的參數(shù)變化時(shí)，利用Multisim中的參數(shù)掃描分析功能可以得到電路輸入輸出特性的變化情況。

在主菜單欄中simulate項(xiàng)中選擇Analysis中的parameter sweep。參數(shù)設(shè)置如下(以分析C1為例)：設(shè)備項(xiàng)中選擇電容設(shè)備，元件名選擇C1，參數(shù)選擇電容量，電容量使用le-006F，le-007F，le-008F三個(gè)值。點(diǎn)擊more選項(xiàng)，選擇AC Analysis(交流分析)，再選擇節(jié)點(diǎn)3作為輸出節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)擊simulate進(jìn)行仿真，得到C1取上述三個(gè)不同值時(shí)電路的幅頻特性曲線(如圖4所示)。

圖4中，三條曲線由下至上對應(yīng)的電容分別為le-006F、le-007F、le-008F，對應(yīng)的截止頻率分別為35.550 Hz，148.493 7 Hz，193.375 6 Hz。很顯然，C1減小引起電路的截止頻率增大，通頻帶變寬。而C1的變化對電壓增益基本無影響。

采用類似方法，我們得到C2，R1，R2，R3和Rf對電路性能的影響如下：C2，R2和R3的變小均會(huì)引起電路的截止頻率增大和通頻帶變寬。而C2，R2和R3的變化對電壓增益的影響不大。R1與輸出電壓幅度成反比，Rf與輸出電壓幅度成正比，但R1和Rf的變化不影響電路的頻率特性。

5 結(jié)語

由以上分析可知，Multisim中的仿真分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果十分接近。Multisim既是一個(gè)專門用于電子電路設(shè)計(jì)與仿真的軟件，又是一個(gè)非常優(yōu)秀的電子技術(shù)教學(xué)工具。Multisim應(yīng)用于課堂教學(xué)，豐富了電子技術(shù)多媒體輔助教學(xué)的內(nèi)容，是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍。Multisim以其具有的開發(fā)性、靈活性、豐富性、生動(dòng)性、實(shí)時(shí)交互性和高效性等功能特征，極大地豐富了電子電路的教學(xué)方法，拓展了教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，為提高電子技術(shù)教學(xué)質(zhì)量提供了又一個(gè)有效手段。