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(xiàn)路仿真軟件EWB(Electronics Workbench，虛擬電子工作平臺)的升級版。Multisim為用戶(hù)提供了一個(gè)集成一體化的設計實(shí)驗環(huán)境。利用Multisim，建立電路、仿真分析和結果輸出在一個(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;深入分析了二階低通濾波器電路。利用Multisim可以實(shí)現從原理圖到PCB布線(xiàn)工具包(如Electronics Workbench的Ultiboard)的無(wú)縫隙數據傳輸，且界面直觀(guān)，操作方便。

　　2 電路設計

　　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上再增加一節RC網(wǎng)絡(luò )。

　　電路結構如圖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)理想運算放大器構成。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，頻率可調的交流電壓源提供輸入信號，用一個(gè)阻值為1 kΩ的電阻作為負載。

　　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AUP

　　低頻下，兩個(gè)電容相當于開(kāi)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。圖中橫坐標為時(shí)間，縱坐標為電壓幅度。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，幅度小的為輸出信號。

　　很顯然，輸出信號的頻率與輸入信號一致，說(shuō)明二階低通濾波器電路不會(huì )改變信號頻率。從圖2還可以看出，在輸入信號頻率較大(如1 kHz)時(shí)輸出信號的幅度明顯小于輸入信號的幅度。而低頻情況下的理論計算結果AUP=2;即在低頻情況下輸出信號的幅度應為輸人信號的兩倍。很顯然，輸入信號頻率較大時(shí)電路的放大作用已經(jīng)不理想。

　　調節輸入頻率，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(shuō)明截止頻率fP接近150 Hz。

　　我們發(fā)現，僅通過(guò)虛擬示波器分析，既很難得出fP的準確值，也不能直觀(guān)看出輸入信號的頻率對電路放大性能的影響，于是用Multisim中的交流分析來(lái)精確觀(guān)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項中選擇Analysis中的AC Analysis。參數設置如下：起始頻率為1 Hz，終止頻率為10 MHz，掃描方式使用十進(jìn)制，縱坐標以dB為刻度，在Output variables中選擇輸出節點(diǎn)(即圖1中節點(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(xiàn)如圖3所示。

　　4.2.1 通帶電壓放大倍數AUP的測量

　　從特性曲線(xiàn)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(huà)框中可知縱坐標最大值為6.020 4 dB，即AUP=2，與理論計算值相符。

　　4.2.2 通頻帶截止頻率fP的測量

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

　　4.3 參數掃描分析(parameter sweep)

　　當某元件的參數變化時(shí)，利用Multisim中的參數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項中選擇Analysis中的parameter sweep。參數設置如下(以分析C1為例)：設備項中選擇電容設備，元件名選擇C1，參數選擇電容量，電容量使用le-006F，le-007F，le-008F三個(gè)值。點(diǎn)擊more選項，選擇AC Analysis(交流分析)，再選擇節點(diǎn)3作為輸出節點(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(xiàn)(如圖4所示)。

　　圖4中，三條曲線(xiàn)由下至上對應的電容分別為le-006F、le-007F、le-008F，對應的截止頻率分別為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(wú)影響。

　　采用類(lèi)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 結語(yǔ)

　　由以上分析可知，Multisim中的仿真分析結果與理論計算結果十分接近。Multisim既是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于電子電路設計與仿真的軟件，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)的內容，是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍。Multisim以其具有的開(kāi)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。