0 引言
整流电路是基于二极管单向导通特性、电容滤波特性等的交流整流电路，设置合理参数，可获得稳定无脉动直流电源，在需要稳定直流供电的场合及设备上应用广泛。有源滤波器，由集成运算放大器和RC网络构成，兼具体积小、性能稳定优点，因此在电路实验和设备检测上同样具有十分广泛的用途。现在我们对整流电路及有源滤波器的原理、结构展开研究，计算传递函数表达式，并能够定量分析输出、输入之间的关系，利用Multisim进行电路仿真分析，提升系统整流、滤波性能，具有一定的方向引导性，为之后更复杂分析设计奠定基础。
1 Multisim软件仿真
Multisim是由美国国家仪器有限公司推出的基于Windows系统的电路仿真软件，采用交互式页面，用户可根据需求通过搭建虚拟电路方式来进行仿真实验，易于操作。同时Multisim软件内部提供各种所需如信号发生器、示波器、Agilent万用表等虚拟仪器以及元器件库，例如电源库、模拟器件库等，可对数字电子、高频电子等进行全面仿真分析[1]。
此外Multisim提供丰富清晰的图形化互动环境，用户可通过检测仪表实时监测实验数据，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证，还可快速定位实验故障的发生点，对电路进行实时改进和设计优化，因此Multisim仿真软件应用广泛。
2 整流电路
在分析和设计有源滤波器时使用集成运算放大器UA741，有输出短路保护和闭锁自由运作的功能。滤波器工作时UA741的引脚7、引脚4需要提供正负直流电源，本文以±12V直流电源为例。考虑采用桥式整流、电容滤波、集成稳压块相结合方式。集成整流电路由电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路四个基本电路组成，再设置相应的保护电路，过滤电路即可获得直流电源。重点是要选择合理的参数和指标，以便输出值的稳定和精确。
2.1 桥式整流
为了得到输出稳定的直流电源，首先需要将220V正弦交流电源进行整流。给设备直流用电[2]。整流电路按电路结构可分为桥式电路和零式电路，按交流电源输入相数分为单相电路和多相电路。本文拟采用桥式全控整流电路，利用晶闸管单向导通特性，实现交流整流。现对单相、三相桥式整流电路展开研究。基于晶闸管的单相桥式整流电路如图所示
图1 单相桥式整流电路
通过电源变压器得到的u2仍为正弦交流信号，利用晶闸管单向导电性，在u2正半周期，触发角a处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。同理，在u2负半周期，触发角a处给晶闸管VT3和VT2加触发脉冲使其开通，也有ud=-u2。借助桥式整流电路，使得原有的正弦波信号得到改变，从而可获得所需信号[2]。正弦波被整流为单项波，同时因为采用的是具有触发角α的晶闸管，所以输出电压受触发角α大小影响，计算如下
(1)
由公式可知，当α=0°时Ud=0.9U2取得最大值，当α=180°时Ud=0。触发角的移相范围0°~180°。三相桥式整流电路原理与上相同，只是多增加了两路电源，波形也更加复杂化。对于三相桥式电路，每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，并且不能是同一相的晶闸管。6个晶闸管的脉冲按顺序导通，相位依次差60°。同时，同一相的上下两个桥臂，脉冲相差180°。由于使用的是晶闸管，所以必须考虑触发角α的大小问题。α=0o各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。由此当α=0°时，输出整流电压为线电压在正半周的包络线。
整流后输出的电压方向一致且脉动较小，整流效果显著。同时带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是0°至120°，当α＞60°且为电阻负载时，整流输出电压平均值为
(2)
由表达式可以看出，输出电压值受到触发角α的极大影响，当为排除晶闸管误导通以及触发角α对实验的影响，在使用Multisim对单相桥式整流电路进行仿真时选用整流二极管1N4007来代替晶闸管，仿真电路及结果如下
图2 单相桥式整流Multisim仿真电路图 图3 整流后波形图
上图给出了单相桥式整流电路的仿真图及整流后的输出结果，由波形图可以看出，单相桥式和三相桥式电路均能对交流电源进行整流，且效果可靠稳定。但因UA741只需要单相±12V直流电源，我们只需使用单相桥式整流电路即可得到所需电源，不会受到晶闸管触发角大小的影响，消除三相电源之间的相互影响，也减小了变压器漏感对整流电路的影响。不仅方便，还极大地提高了实践的可能性与准确度，因此本文采用单相桥式整流电路。
之后采用并联大电容进行滤波处理，并选用三端集成电路IC芯LM7812CT来进行稳压，该芯片输出稳定，使用方便安全。考虑到电路整体安全的问题，电路必须串联相应电阻进行限流，从而达到保护作用，同时计算电阻值来确保输出电压为±12V，当R1=1.5kΩ，R2=0.3kΩ时，可安全准确获取目标电源。综合上述分析结合实际需求设计如下获得直流电源的仿真电路
图4 整流电路Multisim仿真图
XMM1读数分别为+12.009V和-12.018V,由此可以看出该模拟电路可以对220V交流电源整流，输出稳定的±12V直流电源为集成运放UA741进行供电。
3 滤波器基本原理与仿真分析
随着科技的发展，滤波器在关键场合作用日益凸显。其中，滤波器的选频作用十分重要，同时这也是区分滤波器类型，判定滤波器滤波作用的关键依据。根据其能选择的频率范围，将滤波器分为低通滤波器(LFP)，高通滤波器(HFP)等。低通滤波器只能通过低于设定频率的信号，高频信号不能通过；高频滤波器则是允许高于设定频率的信号通过[1]。其中有源低通、高通滤波器使用范围广，在多个场合发挥着重要作用。因此本文针对低通、高通滤波器展开研究，并由此可推广至更多更复杂的滤波器设计。
3.1 有源二阶低通滤波器
首先针对二阶低通有源滤波器来说，考虑到电容具有通高频阻低频的特性，设计由电阻R和大电感C构成低通电路。同时为了提高通带电压放大倍数，提高电路带负载能力[1]，引入集成运放UA741，共同组成二阶低通滤波器，UA741由整流电路输出±12V的直流电源供电。
图5 有源二阶低通滤波器
由电路图可知，滤波器有两级RC电路组成，每级均可实现低通滤波。同时为了使滤波效果更加接近理想滤波，即让输出电压在超过截止频率后迅速下降，将第一级电容直接与运算放大器输出端连接。一阶低通电路的相频特性表达式为
(4)
及相位移为-45°，所以在频率接近但又低于f0时，两级RC电路总相位移小于90°，所以此时通过一级电容引回的是正反馈，此时的幅频特性得到补偿从而减小误差。同理，当f足够大，则
，两级总相位移接近-180°，反馈作用几乎消失，致使幅频特性曲线快速下降，从而达到高频率波的效果[1]，综合以上分析，引入此反馈可在原有功能基础上有效地改善滤波性能。此电路电压放大倍数为
由图可知，理论值与实测值基本一致。但在实验过程中发现，Q的取值会对输出波形产生较大的影响，由此也带来一定的误差。下面测试多组不同Q值的情
况，输出波形如下图所示
图6 Q值对幅频特性的影响
通过比较发现，Q=1时滤波效果最理想，不仅防止曲线过早衰减，而且没有明显的凸峰，Q过大或者过小，都会导致实验结果的不理想。综上所述，当设计如图所示二阶滤波器时，应根据需要，尽可能使得Q取值接近于1。
3.2 有源二阶高通滤波器
针对高通滤波器来说，主要作用是抑制低频信号，通过高频信号。电容的通高频作用可有效滤除低频信号，即采用与低通滤波器对偶的电路图，主路串联电容来使高频信号通过，从而达到滤波效果。同样采用集成运放UA741，使用±12V直流电源对其供电根据“虚短”、“虚断”的电路特点，结合电路分压原理[2]可得
电路如图所示，由于选取的通带电压放大倍数为2，而仿真时输入电压有效值为1V，所以理论输出电压值在2V左右，测量结果如下图所
图7 二阶高通滤波器仿真图 图8 高通滤波幅频特性
同有源低通滤波器相类似，Q值的选取会直接影响幅频特性的波形，也会改变输出电压的大小，选取了不同的Q值来进行测试，分析Q值的具体影响，Q值过低会导致截止频率附近的波形存在偏差，若Q值过低则会导致在价值频率处又明显的凸峰，因此选取合适的Q值可以有效改善滤波作用，减小误差[1]。综上所述，可以利用相应元器件设计符合要求的高通滤波器，且滤波效果良好，作用稳定。
4 结语
本文就实际问题展开研究，探究桥式整流电路的工作原理和输出特性，以及低通、高通滤波器的输入输出关系，截止频率及等效品质因数等，通过Multisim搭建仿真电路，根据需求计算电容、电阻参数并对输出波形图进行分析，验证了整流电路的电源整流作用和滤波器的滤波作用。通过横向对比Q值得到最佳输出波形，对改善整流效果、提升滤波器性能具有指引作用。
5 参考文献
[1] 清华大学电子学教研组编.杨素行主编.模拟电子技术基础简明教程(第三版)[M].北京：高等教育出版社，2005
[2] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009
