基于Multisim的運(yùn)算放大器及濾波電路仿真

西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 劉 昕 馬虎山 劉 健 陳 晨

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基于Multisim的運(yùn)算放大器及濾波電路仿真

西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 劉 昕 馬虎山 劉 健 陳 晨

【摘要】運(yùn)算放大器在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，可設(shè)計(jì)各種濾波器以及控制電路等。針對(duì)真實(shí)有源濾波電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，分析應(yīng)用電路仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教改的必要性和優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)Multisim對(duì)運(yùn)算放大器和有源低通濾波器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其結(jié)果和理論值相一致，效果理想。將Multisim仿真軟件應(yīng)用于傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可降低教學(xué)復(fù)雜度，提高學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性。

【關(guān)鍵詞】運(yùn)算放大器；濾波電路；Multisim仿真軟件；實(shí)驗(yàn)教改

項(xiàng)目名稱：西安石油大學(xué)2015年第九批教改——電路仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究（項(xiàng)目編號(hào)：131010376）。

0　引言

運(yùn)算放大器在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛，用其設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路可以實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分和濾波等功能。濾波器是一種用于消除干擾的器件，也就是一種選頻電路，它能得到一個(gè)特定頻率或者消除一個(gè)特定頻率，從包含各種頻率的信號(hào)中選出有用的信號(hào)。本文對(duì)利用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的有源低通濾波器進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中原有的無(wú)源濾波實(shí)驗(yàn)，采用Multisim軟件對(duì)電路原理進(jìn)行仿真，使學(xué)生在掌握濾波器的理論知識(shí)的同時(shí)，通過(guò)創(chuàng)新實(shí)踐加強(qiáng)學(xué)生對(duì)運(yùn)算放大器和有源濾波器的理解，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高教學(xué)質(zhì)量。

1　比例放大器仿真

在運(yùn)算放大器中反向比例放大器是一個(gè)基本的放大電路，在Multisim10的放置基礎(chǔ)元件庫(kù)中選擇放置運(yùn)算放大器，以及放置電容器、放置電阻器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器，繪制反向比例放大電路，如圖1所示。

圖1　反向比例放大電路

圖2　仿真結(jié)果

驗(yàn)證該反相比例放大電路的性能，輸入峰值1V、頻率500Hz的正弦信號(hào)，輸出信號(hào)如圖2所示，峰峰值為20V，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的信號(hào)幅度之比約為10，相位差是π。

2　有源濾波電路仿真

完成了對(duì)運(yùn)算放大器的仿真實(shí)驗(yàn)和分析后，在Multisim10中再對(duì)由運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的有源低通濾波器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

本文采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)的二階有源濾波器進(jìn)行仿真，其電路結(jié)構(gòu)用Multisim10繪制，如圖3所示。

圖3　二階有源濾波器電路仿真結(jié)構(gòu)圖

將運(yùn)算放大器的同向輸入端接到二階RC濾波網(wǎng)絡(luò)，反向輸入端接到輸出端，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可列寫(xiě)方程如下：

將方程簡(jiǎn)化得：

因此，截止頻率：

得品質(zhì)因數(shù)：

設(shè)置運(yùn)算放大器的增益為1，R1=R2，C1=2C2，則截止頻率：

在該仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置截止頻率ω0=10kHz，R1=R2=10kΩ，C1=2μF，C2=1μF，來(lái)驗(yàn)證濾波器的性能，其仿真結(jié)果的波特圖

如圖4所示。

圖4　波特圖

由圖4可以看出，在電路仿真運(yùn)行過(guò)程中當(dāng)增益達(dá)到-2.627dB時(shí)，截止頻率ω0=10.744kHz，在0—10kHz這段范圍內(nèi)的頻率所對(duì)應(yīng)的增益均為0dB，且增益穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)運(yùn)算放大器和有源濾波器的電路仿真分析可以看出，使用Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，輸出結(jié)果隨著輸入?yún)?shù)的改變而變化，所得結(jié)果均正確，且具有開(kāi)放性和創(chuàng)新性，整個(gè)實(shí)驗(yàn)不受設(shè)備、時(shí)間和場(chǎng)所的限制，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可以避免操作不當(dāng)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的損害和實(shí)驗(yàn)人員的誤傷。將Multisim應(yīng)用于電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生更易理解抽象的電路實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新性，且操作簡(jiǎn)便、畫(huà)面簡(jiǎn)潔，降低教學(xué)的復(fù)雜度，提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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