常用模擬濾波電路研究與仿真

傅思勇 符茂勝 劉 振

(皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院， 安徽 六安 237012)

常用模擬濾波電路研究與仿真

傅思勇 符茂勝 劉 振

(皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院， 安徽 六安 237012)

研究低通、高通、帶通、帶阻這4種常用濾波器的工作原理。利用Multisim仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)出相應(yīng)低通、帶通濾波器；加入噪聲后，利用示波器分別觀察正常信號(hào)、噪聲信號(hào)和濾波器輸出信號(hào)，根據(jù)波形及參數(shù)進(jìn)行濾波效果分析。

低通濾波器； 高通濾波器； 帶通濾波器； 帶阻濾波器

模擬濾波器在各類自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)、電信設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛，電路中濾波器的質(zhì)量直接影響產(chǎn)品質(zhì)量[1]。常用模擬濾波器分為無(wú)源和有源兩大類[2]。無(wú)源濾波器也叫無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，一般由電阻、電容構(gòu)成，或由電容、電感器元件構(gòu)成。有源濾波器又稱有源網(wǎng)絡(luò)，用運(yùn)算放大器作為電壓源或電流源，加上RC網(wǎng)絡(luò)后構(gòu)成。與無(wú)源濾波器相比較，有源濾波器具有重量輕、體積小、調(diào)諧方便的特點(diǎn)，應(yīng)用更為廣泛[2]。本次研究將分析無(wú)源低通、高通、帶通、帶阻濾波電路的基本原理，在此基礎(chǔ)上，討論無(wú)源濾波電路的優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一款有源低通濾波電路和有源帶通濾波電路，并通過(guò)Multisim仿真平臺(tái)驗(yàn)證其實(shí)用性。

1 常用濾波電路原理及設(shè)計(jì)

1.1 低通濾波器電路

低通濾波器的作用是允許低頻信號(hào)通過(guò)，對(duì)高頻信號(hào)加以阻止或者抑制。常用的低通濾波器包括無(wú)源低通濾波器和有源低通濾波器。圖1所示為經(jīng)典RC低通無(wú)源濾波電路。其傳輸函數(shù)見(jiàn)式(1)[3]：

(1)

式中： Uo—— 電路輸出電壓；

Ui—— 輸入電壓；

R1—— 電阻；

C1—— 電容 。

圖1 經(jīng)典RC低通無(wú)源濾波電路

圖2 RC低通濾波器幅頻特性

在信號(hào)處理要求較高的場(chǎng)合，一般采用有源濾波器。有源濾波器電路一般由無(wú)源濾波電路和集成運(yùn)放組成。圖3所示為一階有源低通濾波器，由一級(jí)RC低通濾波器電路再加上一個(gè)電壓跟隨器組成。

圖3 一階有源低通濾波器

1.2 高通濾波器電路

與低通濾波器相反，高通濾波器幾乎不受衰減地通過(guò)高頻信號(hào)，對(duì)低頻信號(hào)加以抑制或衰減[4-5]。圖4所示為一階RC高通濾波電路。高通濾波電路與低通濾波電路類似，可通過(guò)RC電路簡(jiǎn)單組成，其傳遞函數(shù)公式為：

(2)

圖4 一階RC高通濾波電路

和低通濾波電路一樣，一階RC高通濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但信號(hào)有能量損耗和較明顯的負(fù)載效應(yīng)，極易引起電磁感應(yīng)，負(fù)載將會(huì)影響濾波特性。一般在信號(hào)要求較高的場(chǎng)合，采用有源高通濾波器。圖5所示為一階有源高通濾波器電路。

1.3 帶通濾波器電路

帶通濾波器只允許某個(gè)頻段的信號(hào)通過(guò)，使兩端外的信號(hào)受到抑制或衰減。其電路結(jié)構(gòu)可由1條低通濾波電路與1條高通濾波電路組成，主要設(shè)計(jì)低通濾波電路和高通濾波電路各自的截至頻率，則可實(shí)現(xiàn)帶通濾波器。圖6所示為 RC無(wú)源帶通濾波器電路。

圖5 一階有源高通濾波器電路

圖6 RC無(wú)源帶通濾波器

傳遞函數(shù)公式為：

(3)

式中：Uo—— 電路輸出電壓；Ui——電路輸入電壓。

RC無(wú)源帶通濾波電路與無(wú)源低通、高通濾波電路類似，其濾波特性會(huì)受到負(fù)載的影響，為此實(shí)際常用的帶通濾波器常常是有源的。有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)思想與有源低通、高通濾波電路類似，也是在RC無(wú)源帶通濾波電路的基礎(chǔ)上結(jié)合集成運(yùn)算放大器組成。

1.4 帶阻濾波器電路的原理

與帶通濾波器相反，帶阻濾波器是專門用于抑制或衰減某特定頻段的信號(hào)，其余頻率的信號(hào)可順利通過(guò)。這種設(shè)計(jì)方法與帶通濾波器電路非常相似，結(jié)構(gòu)上也是由低通濾波器和高通濾波器組成，在此不作贅述。

2 濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真

針對(duì)低通濾波電路和帶通濾波電路進(jìn)行仿真，利用Multisim軟件搭建二階低通濾波電路。圖7所示為有源低通濾波電路。V1是10 kHz的噪聲信號(hào)，V2是1 kHz的正常信號(hào)，A通道接的是V2為1 kHz的正常信號(hào)，B通道接的是有噪信號(hào)，C通道接的是濾波器的輸出信號(hào)。

圖7 有源低通濾波電路

圖8 低通濾波器的濾波效果圖

圖8所示為低通濾波器的濾波效果圖。通過(guò)濾波器的濾波效果可以看出，x軸掃描為500 μsDiv，A通道y軸幅度為20 mVDiv，偏值為2；B通道y軸幅度為20 mVDiv，偏值為0；C通道y軸幅度為500 mVDiv，偏值為-2。圖中A、B、C對(duì)應(yīng)3條曲線，A曲線表示A通道的1 kHz信號(hào)波形；B曲線表示B通道的1 kHz與10 kHz疊加后的信號(hào)波形，也就是低通濾波器的輸入信號(hào)；C曲線為C通道的低通濾波器輸出信號(hào)波形。C信號(hào)和A信號(hào)除幅度和相位略有差異外，其頻率完全一樣。低通濾波器從B信號(hào)中濾去了高頻信號(hào)，或者說(shuō)僅讓B信號(hào)中的低頻信號(hào)通過(guò)，實(shí)現(xiàn)了濾波功能。

圖9所示為有源帶通濾波電路。其中V1是10 kHz的噪聲信號(hào)；V2是1 kHz的正常信號(hào)；V3是100 Hz的噪聲信號(hào)；A通道接的是V3為100 Hz的噪聲信號(hào)；B通道接的是混有V3的有噪信號(hào)；C通道接的是混有V1的有噪信號(hào)；D通道接的是濾波器的輸出信號(hào)。

圖9 有源帶通濾波電路

由圖10所示帶通濾波器的濾波效果可以看出，x軸掃描為2 μsDiv，A通道y軸幅度為50 mVDiv，偏值為2；B通道y軸幅度為50 mVDiv，偏值為 0.8；C通道y軸幅度為50 mVDiv，偏值為-0.8;D通道y軸幅度為200 mVDiv，偏值為-2。圖中A、B、C、D分別對(duì)應(yīng)上下4種曲線：A曲線表示A通道的100 Hz信號(hào)波形；B曲線表示B通道的100 Hz與1 kHz疊加后的信號(hào)波形；C曲線表示C通道0.1、1、10 kHz信號(hào)疊加后的信號(hào)波形；D曲線表示D通道的帶通濾波器輸出的信號(hào)波形。從C信號(hào)中濾去了低頻和高頻成分，僅選出其中的1 kHz中頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了濾波功能。

圖10 帶通濾波器的濾波效果圖

3 結(jié) 語(yǔ)

以Multisim軟件為平臺(tái)對(duì)多種濾波電路進(jìn)行研究。分析了二階低通濾波器、二階高通濾波器、二階帶通濾波器、二階帶阻濾波器的基本原理。通過(guò)軟件進(jìn)行電路仿真，在仿真示波器上可清晰地觀察到這幾種濾波器的幅頻特性曲線與相頻特性曲線，對(duì)比濾波前后的輸出信號(hào)。

[1] AKAGI H.New Trends in Active Filters for Power Conditioning[J].IEEE Transactions on Industry Applications ，1996， 32(6):1312-1322.

[2] 姚福安，徐衍亮.高性能多階有源低通濾波器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2005，19(2):20-25.

[3] 李端，艾永樂(lè).基于Multisim的二階有源濾波器的研究[J].北京電子科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，17(2):12-16.

[4] 朱小龍，周剛.一種多功能有源濾波器電路仿真設(shè)計(jì)與分析[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(2)：42-45.

[5] 桂靜宜.二階有源低通濾波電路的設(shè)計(jì)與分析[J].電子科技，2010，23(10):15-17.

Research and Simulation of Commonly Used Analog Filter Circuit

FUSiyongFUMaoshengLIUZhen

(School of Information Engineering, West Anhui University, Lu'an Anhui 237012, China)

This paper researches the working principle of four kinds of common filters, such as low pass, high pass, band pass, band stop filter circuit. At the same time, based on Multisim simulation platform, the corresponding low-pass, band-pass filters were designed. By adding the noise to the circuit, we can observe the normal signal, noise signal and the filter output signal by oscilloscope. Finally, filtering effect was analyzed according to the waveform and parameters.

low pass filter; high pass filter; band pass filter; band stop filter

2016-10-08

安徽省科技廳自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于流形學(xué)習(xí)的視頻軌跡分析及語(yǔ)義建?！?1308085MF97)；安徽省教育廳自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目“面向人群場(chǎng)景的視頻軌跡語(yǔ)義模型研究及應(yīng)用”(KJ2015ZD44)；皖西學(xué)院青年項(xiàng)目“無(wú)線光通信精跟蹤系統(tǒng)的研究”(WXZR201601)

傅思勇(1987 — ),男,江西新余人, 碩士,助教,研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)、智能儀器設(shè)計(jì)。

TN713

A

1673-1980(2016)06-0123-04