仪器Multisim10FilterLabMatlabADS基础工程训练报告.docx
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仪器Multisim10FilterLabMatlabADS基础工程训练报告
仪器开发基础训练报告
学院:
自动化学院
班级:
研1104
姓名:
陈**
学号:
S2*******
1FilterLab关于带通滤波器的设计
1.1Filterlab简介
FilterLab软件是Microchip公司专为单片机应用而开发的低通滤波器计算机辅助设计软件,资源开放又简单易学。
FilterLab提供滤波电路原理图,并标有全部元件参数和显示频率响应曲线图。
可进行最多8阶的低通滤波器设计,在0.1Hz到10MHz的频带内观察Chebyshev,Bessel或Butterworth响应。
用户能选择一个平缓的通频带,或尖锐的转折(如最小波纹因子,拐点和线性相位延迟)。
一旦滤波器响应被确定,FilterLab生成频率响应和电路。
为得到最大的设计灵活性,可改变电容器的值来达到应用的需求,FilterLab将从新计算全部值来符合期望的响应。
FilterLab也可生成一个滤波器设计的SPICE模型,该模型允许在SPICE模拟中进行时域分析,简化设计进程。
其实低频的有源滤波器电路到是没什么复杂的,最麻烦的是计算,而此工具能很好的帮你解决计算问题,而且能直观地看到频率与相位特性。
1.2用FilterLab设计低通滤波器
要求:
设计2kHz至20kHz的带通滤波器。
1.2.1选择巴特沃斯带通滤波器
巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。
该响应非常平坦,非常接近DC信号,然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB,最终逼近-20ndB/decade的衰减率,其中n为滤波器的阶数。
巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用,其对于维护增益的平坦性来说非常重要。
首先选择巴特沃斯带通滤波器,如图。
图1.1滤波器参数选择界面
设计滤波器参数;
图1.2参数设置界面
出现的现象
图1.3错误提示
设置的通带FP1为2hzFP22460hz因为提示上限与下限之差必须在1.23至5.82之间。
所以直接使用本软件设计符合任务要求的带通滤波器不可行,需要采用其它方法。
1.2.2选择高通加低通滤波器组合
由于原定的通过带通滤波器设计向导设计滤波器的方案,在该软件上无法实现,所以采取先设计截止频率为2khz的高通滤波器,然后再设计截止频率为20khz的低通滤波器,最后将两滤波器串联的方法来完成目标。
设计过程:
(1)首先设计截止频率为2kHz的高通滤波器.
选择滤波器类型,这里选择切比雪夫高通滤波器。
图1.4滤波器类别选择
选择高通滤波器参数,这里为了防止高通滤波器与低通滤波器串联时总体阶数过高,选择阶数较低的2阶滤波器。
图1.5滤波器阶数选择
生成仿真结果如下图:
图1.7高通电路仿真结果
查看最后的电路原理图如图:
图1.8高通滤波器电路
结果分析:
从滤波器的仿真结果来看,滤波器在2199Hz开始高通滤波,通带衰减在3db以内,波纹带幅度较小,过渡带曲线从10Hz开始成线性分布,符合设计的标准。
从生成的原理图来看,由于设计了2阶滤波器,最后生成了一个功放2的电路原理图。
同理可推断,如果在下一个步骤的低通滤波器设计中,继续采用一个功放的设计,则最后串联以后的结果即为4阶滤波器,不会由于阶数太高而不符合设计要求。
(2)首先设计截止频率为20khz的低通滤波器
选择滤波器类型,这里选择切比雪夫高通滤波器。
图1.9滤波器类别选择
图1.10滤波器阶数选择
选择高通滤波器参数,这里为了防止高通滤波器与低通滤波器串联时总体阶数过高,选择阶数较低的2阶滤波器。
经调整,选择C12电容值0.01uf的电容器,C11电容值0.1uf的电容器。
生成仿真结果如下图:
图1.12低通电路仿真结果
查看最后的电路原理图如图:
图1.13低通滤波器电路
结果分析:
从滤波器的仿真结果来看,滤波器在20215Hz开始低通滤波,通带衰减在3db以内,波纹带振动幅度较小,符合设计的标准。
从生成的原理图来看,由于设计了2阶滤波器,最后生成了一个功放2的电路原理图。
(3)将两种滤波器进行串联
将两种滤波器进行串联,如图所示:
图1.13带通滤波器电路
将纹波较小的高通滤波器后置,最后的仿真结果虽然使用filterlab无法实现,但是基于原理可以得知图1.13所示的电路将会实现2kHz至20kHz的带通滤波器。
2Multisim10关于滤波器的设计
这一部分讨论模拟滤波器在Multisim10中设计与分析,分为两部分:
一、通过自主设计一个截至频率为160KHz的低通滤波器,并实现最优化设计;
二、通过滤波器设计向导定制一个通带在2kHz至20kHz的带通滤波器。
2.1Multisim10的简介
Multisim10是加拿大InteractiveImageTechnologies公司近年推出的电子线路仿真软件EWB(ElectronicsWorkbench,虚拟电子工作平台)的升级版。
Multisim为用户提供了一个集成一体化的设计实验环境。
利用Multisim,建立电路、仿真分析和结果输出在一个集成菜单中可以全部完成。
其仿真手段切合实际,元器件和仪器与实际情况非常接近。
Multisim元件库中不仅有数千种电路元器件可供选用,而且与目前较常用的电路分析软件PSpice提供的元器件完全兼容。
Multisim提供了丰富的分析功能,其中包括电路的瞬态分析、稳态分析、时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析和离散傅里叶分析等多种工具。
本文以Multisim为工作平台;深入分析了二阶低通滤波器电路。
利用Multisim可以实现从原理图到PCB布线工具包(如ElectrONICSWorkbench的Ultiboard)的无缝隙数据传输,且界面直观,操作方便。
Multisim10可交互式地搭建电路原理图,并对电路行为进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容,这样使用者无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计,使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟器技术,使用者可以完成从理论到原理图捕获与仿真,再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
Multisim10.0推出了很多专业设计特性,主要是高级仿真工具、增强的元件库和扩展的用户社区,主要的特性包括:
1所见即所得的设计环境;
2互动式的仿真界面;
3元件库包括1200多个新元器件和500多个新SPICE模块,这些都来自于如美国模拟器件公司(AnalogDevices)、凌力尔特公司(LinearTechnology)和德州仪器(TexasInstruments)等业内领先厂商,其中包括100多个开关模式电源模块;
4动态显示元件(如LED,七段显示器等);
5汇聚帮助(ConvergenceAssistant)功能能够自动调节SPICE参数,纠正仿真错误;
6数据的可视化分析功能,包括一个新的电流探针仪器和用于不同测量的静态探点,以及对BSIM4参数的支持。
7具有3D效果的仿真电路。
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真,能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
凭借NIMultisim10,您可以立即创建具有完整组件库的电路图,并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。
借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器,您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证,从而缩短建模循环。
与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成,完善了具有强大技术的设计流程,从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
Multisim软件使模拟电路、数字电路的设计及仿真更为方便。
并且极其广泛的应用于教学实验中,方便老师的教学讲解,也便于了学生的理解学习,加强了对Multisim软件的认识。
2.2一阶低通滤波器的分析
任务:
通过自主设计一个截至频率为160KHz的低通滤波器,并实现最优化设计。
首现设计一阶有源低通滤波电路,该电路由一个集成运放和一个RC电路所组成,其中左侧的RC电路主要作用是确定电路的截至频率,即选频作用。
确定的截至频率为
1/RC。
左侧的集成运放有两个作用:
1)提高低通电路的放大倍数;2)提高滤波电路带负载的能力。
该一阶有源低通滤波电路的通带电压放大倍数为A0=1+R3/R1,该电路的电压放大倍数为4.4,原理图如图2.1所示。
图2.1一阶有源低通滤波电路原理图
2.2.1一阶系统的幅频频响测试
我们用Multisim来绘制一阶系统的幅频特性曲线,在Multisim8中搭建与图一相同的电路,并调用Bodeplotter仿真电路的通频带,将波特图仪的垂直轴的初始值的终值分别设为-100dB和50dB,水平轴的初始值和终值分别设为1mHz和200GHz。
启动仿真,得到如下仿真图2.2所示。
图2.2一阶有源低通滤波电路仿真Bode图
从Bode图可知,该一阶低通有源滤波器的上线截至频率为158.218kHz。
从上图可以看出一阶低通滤波器电路虽然可以滤掉较高的频率的输入信号,但是其滤波性能不是很好。
发生在高频段衰减的斜率不是很大,衰减程度比较缓慢。
为解决此问题我们采用二阶有源低通滤波电路来滤除高频成分。
图2.3一阶有源低通滤波电路仿真Bode图
图2.4GrapherView里的视图
2.2.2二阶有源低通滤波电路的设计分析
建立二阶有源低通滤波器的仿真电路如下图2.5所示。
图2.5一阶有源低通滤波电路原理图
可以看出:
二阶有源低通滤波电路的幅频响应特性曲线的下降程度是一阶有源低通滤波电路的2倍。
根据就算可知二阶有源低通滤波电路以-40dB/10倍频的幅度下降,其特性更好,Bode图如图2.6所示。
图2.6一阶有源低通滤波电路仿真Bode图
2.3应用Multisim10滤波器设计向导进行滤波器的定制
任务:
通过滤波器设计向导定制一个通带在2kHz至20kHz的带通滤波器。
单击Multisim10的Tools/CircuitWazird/FilterWizard,弹出如图所示的滤波器创建向导对话框。
其中给出了滤波器电路综合所需的主要参数。
Type:
设置滤波器的类型。
有LowPassFilter(低通滤波器)、HighPassFilter(高通滤波器)、BandPassFilter(带通滤波器)、BandRejectFilter(带阻滤波器)四种类型,我在此选择的是BandPassFilter(带通滤波器)。
对于带通滤波器而言,在设计和综合过程当中,有6个技术指标最为重要。
它们分别是:
LowEndPassFreq:
最小通带截止频率。
LowEndStopFreq:
最小阻带截止频率。
HighEndPassFreq:
最大通带截止频率。
HighEndStopFreq:
最大阻带截止频率。
PassBandGain:
通带内所能容许的最大衰减。
设为-3。
StopBandGain:
阻带应该达到的最小衰减。
设为-30。
设置参数如下图所示,另外我选择Chebyshev(切比雪夫滤波器)。
Topology:
设置所定制的滤波器是有源的(Active)还是无源的(Passive),我选择的是无源的(Passive)。
SourceImpedance:
设置滤波器的源阻抗范围,集体数值通过源阻抗和负载电阻的倍数来确定。
DefaultSetting:
用于恢复滤波器设计向导对话框中的哥参数为默认值。
BuildCircuit:
用于启动滤波器的电路创建。
Verify按钮用于检验用户指定创建的滤波器的各个参数值是否正确合理。
本设计是设计一个切比雪夫滤波器,
LowEndPassFreq:
设为2KHz。
LowEndStopFreq:
设为1KHz。
HighEndPassFreq:
设为20KHz。
HighEndStopFreq:
设为30KHz。
PassBandGain:
设为-3。
StopBandGain:
设为-25。
设置电阻为100,电容为1uf。
图2.7滤波器设计向导
然后点击Verify,图中弹出Calculationwassuccessfullycompleted字样,说明可以立即创建滤波器电路;否则继续完善参数。
本次设计在一开始就出现了设置频率过大的问题。
然后点击BuildCircuit按钮启动滤波器的创建,随着进度条的推进,在Multisim10的电路窗口中出现了随鼠标移动的示波器电路的虚影。
单击鼠标,完成示波器电路的放置。
所创建的电路如图所示。
图2.8向导创建的无源带通滤波器
接下来使用仿真工具,进行仿真,将信号源、波特图仪连接到电路中,如图2.9所示
图2.9低通滤波器仿真电路
图2.10无源带通滤波器的Bode图
通过对波特图的分析发现,该设计的带通滤波器基本满足了带宽要求,可以使用。
3应用Matlab进行滤波器的有关设计
3.1Matlab的简介
MATLAB仿真软件是电子电路计算机仿真设计与分析的基础。
它用软件的方法虚拟电子与电工元器件,虚拟电子与电工仪器和仪表,实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。
MATLAB的虚拟测试仪器仪表种类齐全,有一般实验用的通用仪器,如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源;而且还有一般实验室少有或没有的仪器,如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
MATLAB具有较为详细的电路分析功能,可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法,以帮助设计人员分析电路的性能。
它可以设计、测试和演示各种电子电路,包括电工学、模拟电路、数字、电路、射频电路及微控制器和接口电路等。
可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障,如开路、短路和不同程度的漏电等,从而观察不同故障情况下的电路工作状况。
在进行仿真的同时,软件还可以存储测试点的所有数据,列出被仿真电路的所有元器件清单,以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。
本部分利用Matlab信号处理工具箱进行FIR滤波器设计的两种方法:
FDATool设计法和程序设计法,给出了较为详细的设计步骤,给出了设计结果的Bode图。
数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统,通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。
根据起单位冲激响应函数的时域特性可分为两类:
无限冲激响应(IIR)滤波器和有限冲激响应(FIR)滤波器。
与IIR滤波器比较,FIR的实现是非递归的,总是稳定的,更重要的是,FIR滤波器在满足幅频响应要求的同时,可以获得严格的线性相位特性。
因此,他在高保真的信号处理,例如数字音频、图像处理、数据传输、生物制药等领域得到广泛的应用。
3.2FDATool界面设计
3.2.1FDATool界面简介
FDATool(FilterDesign&AnalysisTool)是MATLAB信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具,MATLAB6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱(FilterDesignToolbox)。
FDATool可以设计几乎所有的基本的常规滤波器,包括FIR和IIR的各种设计方法。
它操作简单,方便灵活。
在MATLAB命令窗口输入FDATool后回车就会弹出FDATool界面。
FDATool界面总共分两大部分,一部分是DesignFilter,在界面的下半部,用来设置滤波器的设计参数,另一部分则是特性区,在界面的上半部分,用来显示滤波器的各种特性。
DesignFilter部分主要分为:
FilterType(滤波器类型)选项,包括Lowpass(低通)、Highpass(高通)、Bandpass(带通)、Bandstop(带阻)和特殊的FIR滤波器。
DesignMethod(设计方法)选项,包括IIR滤波器的Butterworth(巴特沃思)法、ChebyshevTypeI(切比雪夫I型)法、ChebyshevTypeII(切比雪夫II型)法、Elliptic(椭圆滤波器)法和FIR滤波器的Equiripple法、Least-Squares(最小乘方)法、Window(窗函数)法。
FilterOrder(滤波器阶数)选项,定义滤波器的阶数,包括SpecifyOrder(指定阶数)和MinimumOrder(最小阶数)。
在SpecifyOrder中填入所要设计的滤波器的阶数(N阶滤波器,SpecifyOrder=N-1),如果选择MinimumOrder则MATLAB根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。
FrenquencySpecifications选项,可以详细定义频带的各参数,包括采样频率Fs和频带的截止频率。
它的具体选项由FilterType选项和DesignMethod选项决定,例如Bandpass(带通)滤波器需要定义Fstop1(下阻带截止频率)、Fpass1(通带下限截止频率)、Fpass2(通带上限截止频率)、Fstop2(上阻带截止频率),而Lowpass(低通)滤波器只需要定义Fstop1、Fpass1。
采用窗函数设计滤波器时,由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定的,所以只需要定义通带截止频率,而不必定义阻带参数。
MagnitudeSpecifications选项,可以定义幅值衰减的情况。
例如设计带通滤波器时,可以定义Wstop1(频率Fstop1处的幅值衰减)、Wpass(通带范围内的幅值衰减)、Wstop2(频率Fstop2处的幅值衰减)。
当采用窗函数设计时,通带截止频率处的幅值衰减固定为6db,所以不必定义。
WindowSpecifications选项,当选取采用窗函数设计时,该选项可定义,它包含了各种窗函数。
数字滤波器的设计主要经过三步:
确定指标、逼近和实现。
3.2.2带通滤波器设计实例
参数要求:
设计一2kHz—20kHz的模拟低通滤波器。
首先在FilterType中选择Bandpass(带通滤波器);在DesignMethod选项中选择IIRWindow(IIR滤波器窗函数法),然后在设计种类窗口选择IIR---切比雪夫Ⅰ型,在滤波器阶数窗口选择自动生成最小阶的滤波器;在频段参数输入界面,输入通带2khz至20khz的参数,并且将过渡带选取为较为合适的宽度,最后采样的Fs必须大于等于最大阻带截止频率的2倍,所以Fs选择为42000hz,在幅值变化上选取阻带1衰减60db,通带衰减3db,阻带2衰减80db。
图3.1设置参数,设置完以后点击DesignFilter即可得到所设计的IIR滤波器。
通过菜单选项Analysis可以在特性区看到所设计滤波器的幅频响应、相频响应、零极点配置和滤波器系数等各种特性。
设计完成后将结果保存为FDATool.fda文件。
图3.1FDATool.fda文件
在设计过程中,可以对比滤波器幅频相频特性和设计要求,随时调整参数和滤波器类型,以便得到最佳效果。
其它类型的FIR滤波器和IIR滤波器也都可以使用FDATool来设计。
在
中按
(PhaseResponse)。
PhaseResponse
图3.2滤波器幅频和相频响应(特性区)
与其他高级语言的程序设计相比,MATLAB环境下可以更方便、快捷地设计出具有严格线性相位的FIR滤波器,节省大量的编程时间,提高编程效率,且参数的修改也十分方便.还可以进一步进行优化设计,MATLAB在数字滤波器技术中必将发挥更大的作用。
3.3IIR滤波器的设计工具箱简介
1、巴特沃斯IIR滤波器的设计工具箱
在MATLAB下,设计巴特沃斯IIR滤波器可使用butter函数。
Butter函数可设计低通、高通、带通和带阻的数字和模拟IIR滤波器,其特性为使通带内的幅度响应最大限度地平坦,但同时损失截止频率处的下降斜度。
在期望通带平滑的情况下,可使用butter函数。
butter函数的用法为:
[b,a]=butter(n,Wn,/ftype/)
其中n代表滤波器阶数,Wn代表滤波器的截止频率,这两个参数可使用buttord函数来确定。
buttord函数可在给定滤波器性能的情况下,求出巴特沃斯滤波器的最小阶数n,同时给出对应的截止频率Wn。
buttord函数的用法为:
[n,Wn]=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs)
其中Wp和Ws分别是通带和阻带的拐角频率(截止频率),其取值范围为0至1之间。
当其值为1时代表采样频率的一半。
Rp和Rs分别是通带和阻带区的波纹系数。
不同类型(高通、低通、带通和带阻)滤波器对应的Wp和Ws值遵循以下规则:
1.高通滤波器:
Wp和Ws为一元矢量且Wp>Ws;
2.低通滤波器:
Wp和Ws为一元矢量且Wp 3.带通滤波器: Wp和Ws为二元矢量且Wp 4.带阻滤波器: Wp和Ws为二元矢量且Wp>Ws,如Wp=[0.1,0.8],Ws=[0.2,0.7]。 2、契比雪夫I型IIR滤波器的设计 在期望通带下降斜率大的场合,应使用椭圆滤波器或契比雪夫滤波器。 在MATLAB下可使用cheby1函数设计出契比雪夫I型IIR滤波器。 cheby1函数可设计低通、高通、带通和带阻契比雪夫I型滤IIR波器,其通带内为等波纹,阻带内为单调。 契比雪夫I型的下降斜度比II型大,但其代价是通带内波纹较大。 cheby1函数的用法为: [b,a]=cheby1(n,Rp,Wn,/ftype/) 在使用cheby1函数设计IIR滤波器之前,可使用cheblord函数求出滤波器阶数n和截止频率Wn。 cheblord函数可在给定滤波器性能的情况下,选择契比雪夫I型滤波器的最小阶和截止频率Wn。 cheblord函数的用法为: [n,Wn]=cheblord(Wp,Ws,Rp,Rs) 其中Wp和Ws分别是通带和阻带的拐角频率(截止频率),其取值范围为0至1之间。 当其值为1时代表采样频率的一半。 Rp和Rs分别是通带和阻带区的波纹系数。 3.4FIR滤波器的设计工具箱简介 1、firl 功能: 基于窗口函数的FIR(有限冲激响应)滤波器的设计——标准频率响应。 格式: b=fir1(n,Wn) b=fir1(n,Wn,’ftype’) b=fir1(n,Wn,Window) b=fir1(n,Wn,’ftype’,Window) 说明: fir1函数以经典方法实现加窗线性相位FIR数字滤波器设计,它可以设计出标准的低通、带通、高通和带阻滤波器(具有任意频率响应的加窗滤波器由fir2函数设计)。 b=fir1(n,Wn)可以得到n阶低通FIR滤波器,滤波系数包含在b中, b=fir1(n,Wn,’ftype’)可以设计高通和带阻滤波器,由ftype决定: 当ftype=high时,设计高通滤波器。 当ftype=stop时,设计带阻滤波器。 b=fir1(n,Wn,Window)利用矢量Window中指定的窗函数进行滤波器的设计,Window长度n+1。 如果不指定Window参数,则fir1函数采用Hamming窗。 例1: 函数设计34阶高通FIR滤波器,截至频率为0.48,并使用具有30dB波纹的Chebyshev窗,其程序如下: Window=chebwin(35,30);
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