常用模拟滤波电路研究与仿真

傅思勇 符茂胜 刘 振

(皖西学院 信息工程学院， 安徽 六安 237012)

常用模拟滤波电路研究与仿真

傅思勇 符茂胜 刘 振

(皖西学院 信息工程学院， 安徽 六安 237012)

研究低通、高通、带通、带阻这4种常用滤波器的工作原理。利用Multisim仿真平台设计出相应低通、带通滤波器；加入噪声后，利用示波器分别观察正常信号、噪声信号和滤波器输出信号，根据波形及参数进行滤波效果分析。

低通滤波器； 高通滤波器； 带通滤波器； 带阻滤波器

模拟滤波器在各类自动测控系统、电信设备中应用极为广泛，电路中滤波器的质量直接影响产品质量[1]。常用模拟滤波器分为无源和有源两大类[2]。无源滤波器也叫无源网络，一般由电阻、电容构成，或由电容、电感器元件构成。有源滤波器又称有源网络，用运算放大器作为电压源或电流源，加上RC网络后构成。与无源滤波器相比较，有源滤波器具有重量轻、体积小、调谐方便的特点，应用更为广泛[2]。本次研究将分析无源低通、高通、带通、带阻滤波电路的基本原理，在此基础上，讨论无源滤波电路的优缺点。设计了一款有源低通滤波电路和有源带通滤波电路，并通过Multisim仿真平台验证其实用性。

1 常用滤波电路原理及设计

1.1 低通滤波器电路

低通滤波器的作用是允许低频信号通过，对高频信号加以阻止或者抑制。常用的低通滤波器包括无源低通滤波器和有源低通滤波器。图1所示为经典RC低通无源滤波电路。其传输函数见式(1)[3]：

(1)

式中： Uo—— 电路输出电压；

Ui—— 输入电压；

R1—— 电阻；

C1—— 电容 。

图1 经典RC低通无源滤波电路

图2 RC低通滤波器幅频特性

在信号处理要求较高的场合，一般采用有源滤波器。有源滤波器电路一般由无源滤波电路和集成运放组成。图3所示为一阶有源低通滤波器，由一级RC低通滤波器电路再加上一个电压跟随器组成。

图3 一阶有源低通滤波器

1.2 高通滤波器电路

与低通滤波器相反，高通滤波器几乎不受衰减地通过高频信号，对低频信号加以抑制或衰减[4-5]。图4所示为一阶RC高通滤波电路。高通滤波电路与低通滤波电路类似，可通过RC电路简单组成，其传递函数公式为：

(2)

图4 一阶RC高通滤波电路

和低通滤波电路一样，一阶RC高通滤波电路结构简单，但信号有能量损耗和较明显的负载效应，极易引起电磁感应，负载将会影响滤波特性。一般在信号要求较高的场合，采用有源高通滤波器。图5所示为一阶有源高通滤波器电路。

1.3 带通滤波器电路

带通滤波器只允许某个频段的信号通过，使两端外的信号受到抑制或衰减。其电路结构可由1条低通滤波电路与1条高通滤波电路组成，主要设计低通滤波电路和高通滤波电路各自的截至频率，则可实现带通滤波器。图6所示为 RC无源带通滤波器电路。

图5 一阶有源高通滤波器电路

图6 RC无源带通滤波器

传递函数公式为：

(3)

式中：Uo—— 电路输出电压；Ui——电路输入电压。

RC无源带通滤波电路与无源低通、高通滤波电路类似，其滤波特性会受到负载的影响，为此实际常用的带通滤波器常常是有源的。有源带通滤波器的设计思想与有源低通、高通滤波电路类似，也是在RC无源带通滤波电路的基础上结合集成运算放大器组成。

1.4 带阻滤波器电路的原理

与带通滤波器相反，带阻滤波器是专门用于抑制或衰减某特定频段的信号，其余频率的信号可顺利通过。这种设计方法与带通滤波器电路非常相似，结构上也是由低通滤波器和高通滤波器组成，在此不作赘述。

2 滤波电路的设计与仿真

针对低通滤波电路和带通滤波电路进行仿真，利用Multisim软件搭建二阶低通滤波电路。图7所示为有源低通滤波电路。V1是10 kHz的噪声信号，V2是1 kHz的正常信号，A通道接的是V2为1 kHz的正常信号，B通道接的是有噪信号，C通道接的是滤波器的输出信号。

图7 有源低通滤波电路

图8 低通滤波器的滤波效果图

图8所示为低通滤波器的滤波效果图。通过滤波器的滤波效果可以看出，x轴扫描为500 μsDiv，A通道y轴幅度为20 mVDiv，偏值为2；B通道y轴幅度为20 mVDiv，偏值为0；C通道y轴幅度为500 mVDiv，偏值为-2。图中A、B、C对应3条曲线，A曲线表示A通道的1 kHz信号波形；B曲线表示B通道的1 kHz与10 kHz叠加后的信号波形，也就是低通滤波器的输入信号；C曲线为C通道的低通滤波器输出信号波形。C信号和A信号除幅度和相位略有差异外，其频率完全一样。低通滤波器从B信号中滤去了高频信号，或者说仅让B信号中的低频信号通过，实现了滤波功能。

图9所示为有源带通滤波电路。其中V1是10 kHz的噪声信号；V2是1 kHz的正常信号；V3是100 Hz的噪声信号；A通道接的是V3为100 Hz的噪声信号；B通道接的是混有V3的有噪信号；C通道接的是混有V1的有噪信号；D通道接的是滤波器的输出信号。

图9 有源带通滤波电路

由图10所示带通滤波器的滤波效果可以看出，x轴扫描为2 μsDiv，A通道y轴幅度为50 mVDiv，偏值为2；B通道y轴幅度为50 mVDiv，偏值为 0.8；C通道y轴幅度为50 mVDiv，偏值为-0.8;D通道y轴幅度为200 mVDiv，偏值为-2。图中A、B、C、D分别对应上下4种曲线：A曲线表示A通道的100 Hz信号波形；B曲线表示B通道的100 Hz与1 kHz叠加后的信号波形；C曲线表示C通道0.1、1、10 kHz信号叠加后的信号波形；D曲线表示D通道的带通滤波器输出的信号波形。从C信号中滤去了低频和高频成分，仅选出其中的1 kHz中频信号，实现了滤波功能。

图10 带通滤波器的滤波效果图

3 结 语

以Multisim软件为平台对多种滤波电路进行研究。分析了二阶低通滤波器、二阶高通滤波器、二阶带通滤波器、二阶带阻滤波器的基本原理。通过软件进行电路仿真，在仿真示波器上可清晰地观察到这几种滤波器的幅频特性曲线与相频特性曲线，对比滤波前后的输出信号。

[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.高性能多阶有源低通滤波器设计[J].电子测量与仪器学报，2005，19(2):20-25.

[3] 李端，艾永乐.基于Multisim的二阶有源滤波器的研究[J].北京电子科技学院学报，2009，17(2):12-16.

[4] 朱小龙，周刚.一种多功能有源滤波器电路仿真设计与分析[J].安徽理工大学学报，2004，24(2)：42-45.

[5] 桂静宜.二阶有源低通滤波电路的设计与分析[J].电子科技，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

安徽省科技厅自然科学基金面上项目“基于流形学习的视频轨迹分析及语义建模”(1308085MF97)；安徽省教育厅自然科学研究重大项目“面向人群场景的视频轨迹语义模型研究及应用”(KJ2015ZD44)；皖西学院青年项目“无线光通信精跟踪系统的研究”(WXZR201601)

傅思勇(1987 — ),男,江西新余人, 硕士,助教,研究方向为信号检测、智能仪器设计。

TN713

A

1673-1980(2016)06-0123-04