基于ORCAD_Pspice16.3的RC有源模拟滤波器设计与仿真
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RC有源带阻滤波器的PSpice辅助设计与仿真
周传璘;肖永军
【期刊名称】《湖北工程学院学报》
【年(卷),期】2008(028)006
【摘要】简要介绍了OrCAD/Pspice9.2的特点,对二阶RC有源无限增益多路反馈滤波器的设计方法进行了详细的分析,根据分析结果进行了巴特沃斯逼近带阻滤波器的电路设计和参数计算,最终用仿真软件Pspice对设计结果进行了仿真验证.【总页数】3页(P39-41)
【作者】周传璘;肖永军
【作者单位】孝感学院,物理与电子信息工程学院,湖北,孝感,432000;孝感学院,物理与电子信息工程学院,湖北,孝感,432000
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.采用Q倍增结构的有源RC高Q二阶带阻滤波器 [J], 杨志明
2.采用Q倍增结构的有源RC高Q二阶带阻滤波器 [J], 杨志民;袁助国;徐守堂
3.OrCAD/PSpice优化模块Optimizer在有源滤波器设计辅助教学中的应用 [J], 赵威威;余先伦
4.基于ORCAD/Pspice10.5的RC带通滤波器的设计与仿真 [J], 王晓臣刘海亮
5.RC双T型带阻滤波器的计算机辅助分析 [J], 额尔登宝音
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基于ORCAD的模拟滤波器设计摘要随着现代电子电路技术的发展,模拟滤波器已成为高精度大规模集成电路中的一个基本模块,滤波器参数选择的好坏将在一定程度上影响整个系统的工作稳定性和噪声指标的好坏。
电流模式滤波器的出现于电压模式滤波器之后,它与传统模式的电压模式滤波器相比具有低输入阻抗,高输出阻抗,波动范围大,功耗低,速度快,频带宽,非线性失真小等优点。
因此,本文选择对基于电流控制传送器的模拟滤波器设计。
由于滤波器参数,种类繁多,计算和设计都有一定困难。
近年来随着CAD 和EDA技术的不断发展,为我们分析和设计有源滤波器提供了简单、快捷的方法。
ORCAD正是这样一种电路分析软件。
本文是基于ORCAD的电流模式的模拟滤波器设计。
首先,以二阶带通滤波器的分析优化为例,阐述了用ORCAD对模拟滤波器电路进行分析和优化的过程,给出了具体的分析优化的操作步骤、性能分析曲线、优化结果。
然后,应用电流模式模拟滤波器的设计方法设计出适用于单片集成的滤波器电路,最后,采用ORCAD进行分析、仿真和优化调整。
关键词:滤波器,电流控制传送器, ORCAD 仿真, ORCAD优化The design of Analog Filters Based on ORCADABSTRACTWith the development of modern electronic circuit technology, Analog Filter has become a basic module in high-precision VLSI. The choice of filter parameters will greatly affect the stability and noise indicators quality of the whole system. Current-mode filters turn up after the voltage-mode filters. Current-mode filters,comparing with voltage-mode filters, have following advantages: Low input impedance and high output impedance, big fluctuation range, low power consumption, quick speed, long frequency bandwidth, little non-linear error propagation properties, small non-linear distortion. Therefore, the present paper chooses to design current pattern filter.The calculation and design of filters is every difficult because of numerous parameters and kinds. In recent years, with the CAD and EDA technology developed, the various circuit analysis software functions become more powerful.A simple and quick method was provided for anglicizing and designing APF. ORCAD is such circuit analysis software. This paper is the design of simulation filter based on ORCAD. Firstly, taking the optimization analysis of a second-order band-pass filter for example, the procedure of Optimization by using ORCAD software was demonstrated. Analysis steps of optimize operating, the curve of performance analysis, and optimization results were presented in the paper. Then, filters circuits which are used the single chip integrated were designed by the design methods of current mode filters. Finally, by ORCAD software their performances were analyzed, simulated and optimized.KEY WORDS:Filters ,Current controlled conveyor, Simulation using ORCAD,Optimizing by ORCAD目录前言 (1)第一章滤波器与ORCAD电路优化过程 (3)§1.1滤波器的分类与传输函数 (3)§1.1.1 滤波器的分类 (3)§1.1.2 滤波器的传输函数 (3)§1.2滤波器的主要参数 (5)§1.3ORCAD对滤波器电路的分析与优化 (5)§1.3.1 ORCAD对滤波器电路分析 (6)§1.3.2 ORCAD对电路参数的优化 (8)第二章滤波器的设计方法 (13)§2.1元件替代法设计可调谐电流低通滤波器 (13)§2.2多环反馈电流模式N阶滤波器设计 (16)§2.2.1 系统结构图实现 (16)§2.2.2 N阶低通滤波器的生成 (17)§2.2.3 N阶高通滤波器的生成 (18)§2.3设计实例说明 (20)§2.4电流模式线性组合法 (24)§2.4.1 系统结构框图实现 (25)§2.4.2 滤波器分析 (25)第三章滤波器的仿真与调整 (28)§3.1各种通用滤波器的实现 (28)§3.2各种通用滤波器的仿真 (29)§3.3滤波器的逼近与调整 (29)§3.3.1 滤波器的逼近 (29)§3.3.2 滤波器的调整 (31)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (36)附录 (37)前言滤波器是一种能使有用信号顺利通过而同时对无用频率信号进行抑制或衰减的电子装置。
(此文档为word格式,下载后您可任意编辑修改!)毕业论文目录 (1)引言 (3)1 OrCADPspice9.2简介 (4)1.1 由来 (4)1.2、PSpice的优越性 (5)2、四阶带通滤波器 (6)2.1 设计原理 (6)2.1.1 带通滤波电路 (6)2.1.2 四阶带通滤波器电路图 (12)2.2 四阶带通滤波器电路仿真与分析 (13)2.3 四阶带通滤波器的印制电路板设计 (19)3 实际电路的验证 (22)4 结束语 (26)参考文献: (27)1全文共21 页4356 字毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
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作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
ORCAD电子电路分析与设计题目:RC有源模拟滤波器设计与仿真学号: 1203609045专业: 12级通信工程姓名: 王其庆学院: 民生学院基于RC 有源模拟滤波器设计与仿真引言随着数字化进程的不断推进,数字滤波器越来越广泛的应用在各个领域之中。
但是模拟滤波器凭借自身的优势仍然有很高的研究价值。
所有数字系统的前端,一般需要一个对微弱信号预处理的部分;在抽样量化之前,还需要一个对信号最高频率进行限制的处理。
这些都只能使用模拟滤波器。
RC 有源滤波器是模拟滤波器中最实用、应用范围最广泛的滤波器。
其标准化电路的种类很少,仅使用及R 、C 元件,因此非常便于集成,这给推广应用带来革命性影响。
因为不使用电感、特别是大型电感,也因为运放在性能的飞速提高的同时价格却一降再降,所以在成本方面有源滤波器已经变得比无源滤波器还有优势。
本文基于这一点介绍了两种常用RC 有源滤波器的结构,以基于实现巴特沃斯逼近的带通波器设计为例,完成了其设计过程,并利用电子仿真软件Pspice 进行了仿真。
1、OrCAD/Pspice16.3简介对于仿真技术而言,目前最流行的是以美国伯克利分校开发的Spice 为核心的仿真软件,而以Spice 为核心开发的最好的仿真软件是OrCAD/Pspice16.3。
它之所以流行就是因为他能很好地运行在PC 平台上且能很好地进行模拟数字混合信号的仿真,而且能解决很多设计上的实际问题。
OrCAD16.3在以前版本的基础上扩展了许多功能,包括供设计输入的OrCADCaptureR ,供类比与混合讯号模拟用的PspiceRA/DBasics ,供电路板设计的 OrCADLayoutR 以及供高密度电路板自动绕线的SPECCTRAR 4U 。
新加入的SPECCTRA ,用以支援设计日益复杂的各种高速、高密度印刷电路板设计。
OrCAD/PSpice 16.3软件的功能特点有:(1)对模拟电路不仅可进行直流、交流、瞬态等基本电路特性分析,而且可进行参数扫描分析和统计分析。
滤波器的设计与实现一、设计简介1.自已设计电路系统,构成有源一阶低通滤波器、二阶高通滤波器。
并利用PSPICE软件仿真。
2.学会集成运算放大器线性应用电路的设计方法,以及RC振荡电路的设计方法。
3.掌握集成运算应用电路的主要参数测试方法。
二、设计要求完成电路设计;学习用计算机画电路图;学会利用PSPIC三、PSPICE 简介1984年,美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE (Personal-SPICE)。
可以说在同类产品中,它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件,在国内普遍使用。
它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。
无论对哪种器件哪些电路进行仿真,都可以得到精确的仿真结果,并可以自行建立元器件及元器件库。
在目的个人电脑广使用的向用的商用仿真软件中,以Pspice A/D 系列最受人众欢迎。
PSPICE 是面向PC 机的通用电路仿真软件, 该软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能,模拟仿真快速准确,并提供了良好的人机交互环境,操作方便,易学易用。
软件的用途非常广泛,不仅可用于电路分析和优化设计,还可用于电子线路、电路、信号与系统等课程的计算机辅助教学。
与印刷线路板设计软件配合使用,还可以实现电子设计自动化。
这些特点使得PSPICE 受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎,国内许多高校已将PSPICE 列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。
PSPICE 软件在国外非常流行。
在大学里,它是工科类学生必会的分析与设计电路的工具;在公司中,它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。
世界各国的半导体元件公司为它提供了上万种模拟和数字元件组成的元件库,使PSPICE 软件的仿真更可信,更真实。
PSPICE 软件几乎完全取代了电路和电子电路实验中的元件、面包板、信号源、示波器和万用表。
第10卷第3期南阳师范学院学报Vo.l 10No 32011年3月Journa l o fNanyang Nor m alUn iversity M ar .2011收稿日期:2010-12-01作者简介:李华洋(1975-),河南南阳人,讲师,主要从事光学方面的研究.基于OrCAD 16.3的有源滤波器优化设计李华洋(南阳师范学院物理与电子工程学院,河南南阳473061)摘 要:在电路的设计中参数的优化非常重要.利用O rC A D16.3软件对一个带通滤波器进行了参数优化设计,并得到了满足要求的交流特性函数值和交流特性曲线.介绍了O pti m ize r 有关功能的使用方法与使用中的一些经验.关键词:多目标优化设计;O rCAD;有源滤波器中图分类号:TN 911.71 文献标识码:A 文章编号:1671-6132(2011)03-0033-04在电子电路的设计过程中,为了使电路的某些目标参数(如滤波器带宽和中心频率)满足苛刻的要求,需要对电路中的电阻、电容等参数的值进行精心选择,使得一个或者多个目标参数都能够满足设计要求,这个过程称为电路的优化设计.EDA 软件常用的参数扫描工具无法满足优化设计的要求,一方面电路的元器件参数非常多,各个参数对于目标函数的影响大小不同;另一方面每个参数与目标函数之间往往存在复杂的非线性关系,因此即使只有一个目标函数,人工也难以确定参数扫描的起止数值和步长,即使对各个参数采用非常大的扫描数据量和扫描次数,也难以得到理想的设计结果.所以必须借助计算机强大的分析与计算能力,利用专门的数学分析与计算工具Opti m izer对电路进行优化设计[1].1 优化设计引擎Opti m izer 工具采用多种优化计算与分析程序(又称优化引擎)来一步一步地修改电路器件参数值,使每一步得到的电路目标参数值逐步接近优化设计所要求的值.1.1 单目标优化Opti m izer 对单目标优化可以在 Opti m izer 工具窗口执行 Ed it\Pro file Setti n gs 子命令,显示与优化引擎相关的参数设置,通过One Goa l 栏选择算法,点击 M i n i m ize 选择导数法,或点击 Least Squares 选择最小二乘法.1.2 多目标优化对于多目标函数的优化设计,Or CAD 软件提供了4种优化引擎,分别是改进的最小二乘法(M LSQ:M odified Least Squares Quadratic)、最小二乘法(LSQ:Least Squares Q uadratic)以及随机引擎(Rando m eng i n e)和离散引擎(D iscrete eng i n e)[2].最小二乘法引擎的优化思路是找最小的整体误差,做电路的最佳化分析;改进的最小二乘法引擎:用在目标函数及Constraint 的最佳化分析里,用较少的仿真模拟去做电路的最佳化分析;随机引擎:随机取样参数的集合,并做多次的仿真来对电路做最佳化分析;离散引擎:通常在利用其他引擎进行优化设计以后,再启动离散引擎,使用由高级分析提供的(例如:电阻Resistor-5%)或是用户自定的元器件参数表格,让Para m eter 选定与优化结果要求最接近的商品化元器件系列标称值.对于实际电路的优化设计,一般使用默认的引擎就可以得到满意结果.如果得到的优化结果不能满足要求,也可以根据电路的复杂程度,分别选择这些引擎进行优化设计,比较得到的结果,选择合适的优化引擎,最后使用离散引擎找到与优化结果要求最接近的商品化元器件系列标称值[3].这里以有源带通滤波器为例来说明利用最新版本的O r CAD16.3软件的优化设计模块Opti m izer 进行优化设计的过程.2 优化设计的过程2.1 标准优化过程优化前的电路如图1所示.对该电路进行交流分析ACSw eep,然后进行电路性能分析(如图2所示),得到3分贝带宽band南阳师范学院学报 第10卷w ith(V (out),3)的数值是508k ,3分贝中心频率centerfrequency(V (out),3)的数值是348k .这也是优化设计的初始值.如图3所示.建议优化之前先进行灵敏度分析,分析结果如图4所示.找到对电路输出特性影响最大的几个参数,在灵敏度分析窗口选中这些参数然后点右键选择 send to Opti m izer ,直接把灵敏度分析的结果发送给优化设计模块Opti m izer.图4 灵敏度分析结果几个参数影响由大到小的顺序是C 1,R 1,R 3,R 4,R 5C 2,R 2.要求上面两个特征值从508k /348k 优化到200k~280k /180k~200k 的最小 最大值区间.选择S tandar d 进行标准优化,仅进行2次优化就达到优化目标区域,优化过程如图5所示.实际得到的两个数值是266k /184k ,如图6所示.图5优化过程的误差图图6 优化完成以后得到的两个特性函数值优化以后的各个电阻、电容参数分别是:C 1=1 7112nF ,R 1=1 0075k,R 3=473 3524k ,R 4=1 7366k ,R 5=930 077k ,C 2=1 0001pF ,R 2=1 0016k .34第3期李华洋:基于O rCAD16.3的有源滤波器优化设计2.2 离散引擎优化上面优化得到的数值其实并不是市场可以买到的商品电阻、电容元件的实际值.选择离散引擎进行优化可以得到商品化元器件参数值.当然也可以使用近似的商品化元器件参数值,不过需要在修改电路各参数数值以后重新分析一下看看优化以后的电路特性参数是否满足要求[2].在使用前面三种优化引擎中的一种进行优化以后,在Opti m izer 窗口中点击 edit 菜单,点击 profile se tti n gs 在 engine 栏选择 discrete ,然后进行进一步的优化,得到符合商品化数值的电阻、电容参数数值.C 1=1 8nF,R 1=1k,R 3=470,R 4=1 8k,R 5=910,C 2=1pF ,R 2=1k .3 采用曲线拟合方法对电路进行优化设计很多情况下不但电路性能参数数值需要满足要求,电路的某些参数曲线也需要通过优化来满足特定形状的要求,这个过程称为曲线拟合.优化设计模块Opti m izer 提供了曲线拟合的功能[2].在优化设计窗口里点击 Curve Fit 进入表格区,通过曲线扫描的方式优化指标,运用曲线拟合的方法,采用曲线的一组数据值,使优化设计结果与目标曲线要求相吻合.在此过程中还可以在Probe 窗口中动态显示出每一次优化得到的波形向作为优化目标的参考波形逼近的情况.下面是采用曲线拟合方法对电路进行优化设计的过程,优化对象是函数DB(V (out))和P (V (out)).先选用一个标准的DB(V (out))和P (V(out))曲线,然后选中曲线拟合选项 Curve F it .优化之前的电路各个参数数值分别是:C 1=1N ,C 2=1P ,R 1=R 2=10k ,R 3=R 4=R 5=1k ,优化以前电路DB (V (ou t))和P (V(out))的波形为图7所示.图7 优化以前电路DB(V (out))和P (V (out))的波形优化以后DB (V (out))和P (V (out))需要达到的目标曲线为图8所示.图8 优化以后DB(V (out))和P (V (out))需要达到的目标波形选定两个目标曲线所在文本文件名字和曲线名字,分别填入Re ferenceFile 和W avefor m 栏,如图9所示.图9 选定目标曲线的文本文件点击 运行 ,进行9次优化即达目标,优化过程如图10所示.图10 曲线拟合优化过程的误差图 曲线拟合优化以后的各个参数值为下面图11中Current 一栏所示.图11 曲线拟合优化以后的各个参数值35在曲线拟合优化过程中,Probe 窗口动态显示每次优化得到的DB (V (out))和P (out)的波形曲线与目标曲线的对比图[4].下面图12为第9次优化得到的波形曲线对比图:图12 第9次优化得到的波形曲线对比图最后再次使用离散引擎进行优化,得到符合商品化数值的电阻电容参数数值.R 1=10k ,R 2=3k ,R 3=820,R 4=1.5k ,R 5=820,C 1=100pF ,C 2=0 3pF .作为对比,我们利用AA 高级分析工具先对电路进行灵敏度分析,找到对3分贝带宽影响最大的几个器件R 3,R 4,C 1,R 1,R 5,然后使用参数测绘仪进行参数扫描分析.每个参数至少需要取10个数值,则总共需要进行10000次分析,但是O r CAD 软件中理想参数测绘仪的最大一次扫描次数为500次,当超过500次时,在输出窗口会出现错误信息提示,分析也将停止.因此根本无法利用参数扫描的方法进行优化设计,更不能利用它进行曲线拟合[5].需要注意的是,设置的优化目标数值不能与原始数值相差太大(相差100倍以上),否则电路元器件参数的变化范围太大可能超出规定的变化范围(原始数值的0.1~10倍),软件将报错并且停止优化进程.遇到这种情况可以分几步优化,让优化目标数值与初始值的差距设置得小一些,每步优化成功以后再以此为初始值进行下一步优化,这样就可以得到理想的优化结果.4 结论对于复杂的电路设计工作,由于元器件众多,特性函数数值要求很严格,无法利用手工计算或者参数扫描的方法得到符合要求的电路参数数值.电路EDA 软件Or CAD 提供的优化工具Opti m izer 很好地解决了这个问题,使得设计人员只需要正确设置优化选项就能够得到满意的优化结果,从而极大地提高电路设计的效率与电路的工作性能.参 考 文 献[1] 刘明山.电子电路CAD 与O rCAD 技术[M ].北京:机械工业出版社,2009.[2] 谭阳红,蒋文科,何怡刚.基于O rCAD16.0的电子电路分析与设计[M ].北京:国防工业出版社,2008.[3] 王辅春,刘明山,迟海涛,雷治林.从实例中学习O rCAD [M ].北京:机械工业出版社,2006.[4] 罗批,滕建辅,郭继昌.使用O rCAD 优化电子线路参数的探讨[J].电子测量与仪器学报,2001,15(4):35-39.[5] 曾志华,等.带通滤波器的优化设计和可制造性分析[J].西安电子科技大学学报:自然科学版,2003,30(1):66-69.(下转第50页)[M].北京:中国农业出版社,1994:1-6.[2] 庄炳昌.中国野生大豆研究二十年[J].吉林农业科学,1999,24(5):3-10.[3] 李光发,黄文,曲刚,等.野生大豆籽粒吸水性的探讨[J].大豆科学,1994,13(4):376-379.[4] 杨期和,尹小娟,叶万辉.硬实种子休眠的机制和解除方法[J].植物学通报,2006,23(1):108-118. 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K ey words:m ultiob jective opti m izati o n desi g n;OrC AD;active filter。
RC低通有源滤波器的PSpice仿真我们先研究一下RC 滤波器,原理,如图1所示图1由于电容的隔直通交,通高频阻低频的原理,低频信号容易传输到U o ,而高频信号容易通过电容直接回去而不能有效传输,所以,图中所示的RC 环节有低通滤波的功能,下面我们具体计算一下:111211122o i u jwC j fC u j fRC R R jwC j fCπππ===+++, 令12p f RC π=,那么11o i pu f u j f =+,o iuu =当p f f =0.707=,我们把此时的频率成为截止频率,也就是说小于p f 的频率传输,大于p f 的频率截止。
如果加上负载Rl ,如图2所示图2()1//1*12////1o iRl Rl Rlu jwC Rl R Rl R Rl R u j f R Rl C Rl R jwC jwC Rl Rπ++===++++其中()'12//p f R Rl Cπ=,也就是说,负载会改变电路的放大倍数和截止频率,为了避免这种影响,我们在滤波电路与负载之间加了一个高输入阻抗,低输出阻抗的地理电路,集成运放,由此构成有源滤波电路。
用OrCAD 画出分层电路图如图3所示:图3左边的lp 表示输入部分和低通滤波部分,电路如图4所示:图4其中R3和C1构成低通滤波环节。
图3中的框图m 表示放大部分,有集成运放及其外围电路构成,电路如图5所示:图5图3中的框图l 表示负载部分,电路如图6所示:图6在负载处加一个电压探针(如上图)。
整个电路图已绘制完毕,接下来用PSpice 进行仿真。
由图4可知,理论上该电路的上限截止频率应为58111592312 3.141010p f Hz R C π-===⨯⨯⨯交流扫描分析(AC Sweep)验证,仿真参数设置如图7所示:图7分析得到如图8所示的幅频特性:图8接下来我们改变图4中R3和C1的值,取3100,31=Ω=,那么理论上电R k C nF路的上限截止频率为591115922312 3.141010p f Hz R C π-===⨯⨯⨯用PSpice 交流扫描分析所得结果如图9所示:图9改变图4中R3和C1的值,取310,31R k C nF =Ω=,那么理论上电路的上限截止频率为491115924162312 3.141010p f Hz kHz R C π-===≈⨯⨯⨯用PSpice 交流扫描分析所得结果如图10所示:图10由上面的分析可知,用PSpice 仿真所得结果和理论分析结果大体相同。
电路仿真模拟电路部分:
二阶压控电压源低通滤波器
一、仿真要求和实验电路图:
对一个二阶压控电压源低通滤波器,要求截止频率fc=2khz,增益Av=2。
进行仿真,并分析其原理。
二、原理分析:
由R,C元器件与运放组成的滤波器称为RC有源滤波器,其功能是让一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。
二阶压控电压源低通滤波器有两对RC,相比于一阶,它的效果更好。
为了设计出该滤波器,采用了巴特沃斯平坦响应去逼近的方法。
查巴特沃斯响应设计表可知,若取C=0.01uf,对应k=100/(fc*C),得k=5,满足1<< k << 10的要求,再从设计表中查出于Av对应的电
容值,c1=0.01uf;k=1时,R1=1.126k,R2=2.250k,R3=6.752k,R4=6.752k。
将上述电阻值乘以k=5,得到:R1=5.63k,R2=11.25k,R3=33.76k。
这样在理论上就可以实现滤波器的指标。
三、实验仿真:
(1)直流分析:
经过计算可以看到直流分析的结果正确。
(2)幅频特性曲线:
如表:cursor2 数据项,当vo/vi为下降到0.707倍是,此时的频率为
2k。
(3)相频特性曲线:
(4)输入阻抗的频率特性曲线:
(5)输出阻抗的频率特性曲线:
仿真结果:
由仿真结果(2)可以看到fc=2k,Av=2.01基本满足设计指标要求,仿真结果正确。
有源低通滤波器设计要求:⒈设计一个截止频率fo为1000HZ的1阶有源低通滤波器(提示:集成运放使用μА741、取电容C=0.01uf,其他元件参数自行考虑)。
要求:①设计的电路、标明元件参数;②在OrCAD/PSpice平台上完成上述设计及仿真,测试1阶电路对应的幅频特性曲线。
⒉设计一个截止频率fo为1000HZ的2阶有源低通滤波器(提示:集成运放使用μА741、设计系数α=1.414,即Q=0.707、R1=R2=R,C1=C2=C,取电容C=0.01uf,其他元件参数自行考虑)。
要求:①设计的电路、标明元件参数;②在OrCAD/PSpice平台上完成上述设计及仿真,测试2阶电路对应的幅频特性曲线。
书写Pspice实践练习报告(自行)。
(一)Pspice简介Pspice是由SPICE(Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis)发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。
Pspice软件是一个通用的电路分析程序,它可以仿真和计算电路的性能。
由于该软件提供了丰富的元件库,使得各种常用元器件随手可得,在软件上我们可以搭接任何模拟和数字或者数模混合电路。
该软件使用的编程语言简单易学,对电路的计算和仿真快速而准确,强大的图形后处理程序可以将电路中的各电量以图形的方式显示在计算机的屏幕上,就像一个多功能、多窗口的示波器一样。
PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能,以图形方式输入,自动进行电路检查,生成图表,模拟和计算电路。
它的用途非常广泛,不仅可以用于电路分析和优化设计,还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。
与印制版设计软件配合使用,还可实现电子设计自动化。
被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件,具有广阔的应用前景。
这些特点使得PSPICE受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎,国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。
基于OrCAD16.3的有源滤波器优化设计
李华洋
【期刊名称】《南阳师范学院学报》
【年(卷),期】2011(010)003
【摘要】在电路的设计中参数的优化非常重要.利用OrCAD16.3软件对一个带通滤波器进行了参数优化设计,并得到了满足要求的交流特性函数值和交流特性曲线.介绍了Optimizer有关功能的使用方法与使用中的一些经验.
【总页数】5页(P33-36,50)
【作者】李华洋
【作者单位】南阳师范学院物理与电子工程学院,河南南阳,473061
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.71
【相关文献】
1.基于FPGA的混合有源滤波器和并联有源滤波器的性能分析 [J], 孙尧;李汉挺;张西中
2.基于遗传算法的有源滤波器LCL输出滤波器优化设计 [J], 武健;马骁;侯睿;徐殿国
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基于Pspice的有源低通滤波器设计作者:毛熙涛彭森来源:《卷宗》2016年第02期摘要:低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。
理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移,而在阻带内其幅值应为零。
有源滤波器是指由放大电路及RC网络构成的滤波器电路,它实际上是一种具有特定频率响应的放大器。
滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快,但RC网络节数越多,元件参数计算越繁琐,电路的调试越困难。
根据指标,本次设计选用PSPICE软件设计并仿真二阶有源低通滤波器。
关键词:低通滤波器;集成运放UA741;PSPICE1. 引言滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置,常用于信号处理、数据传输和干扰抑制等方面,有源低通滤波电路由集成运放和无源元件电阻和电容构成。
它的功能是允许从零到某个截止频率的信号无衰减地通过,而对其他频率的信号有抑制作用。
有源低通滤波电路可以用来滤除高频干扰信号。
但对于滤波器设计的综合技术,由于其网络元件参数的实际选择和调试的困难,采用普通实验设计方法不仅解决不了上述问题,还花费大量时间和设计成本,以至于设计出的产品价格昂贵,电路噪声大等质量问题也不尽人意。
因此,对有源低通滤波器的设计新方法探讨,仍有积极的实际意义。
随着集成运放的广泛应用,有源滤波器的应用更为广泛,因此有源滤波器性能的分析和电路设计就成为一个核心问题。
2. 设计方案滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络,它允许某些频率次(通常是某个频率范围)的信号通过,而其他频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。
这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无缘滤波器,也可以由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。
根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同,滤波器可分为低通滤波器(LPF),高通滤波器(HPF),带通滤波器(BPF),和带阻滤波器(BEF)四种。
从实现方法上可分为FIR,IIR滤波器。
ORCAD电子电路分析与设计题目:RC有源模拟滤波器设计与仿真
学号: 1203609045
专业: 12级通信工程
姓名: 王其庆
学院: 民生学院
基于RC 有源模拟滤波器设计与仿真
引言
随着数字化进程的不断推进,数字滤波器越来越广泛的应用在各个领域之中。
但是模拟滤波器凭借自身的优势仍然有很高的研究价值。
所有数字系统的前端,一般需要一个对微弱信号预处理的部分;在抽样量化之前,还需要一个对信号最高频率进行限制的处理。
这些都只能使用模拟滤波器。
RC 有源滤波器是模拟滤波器中最实用、应用范围最广泛的滤波器。
其标准化电路的种类很少,仅使用及R 、C 元件,因此非常便于集成,这给推广应用带来革命性影响。
因为不使用电感、特别是大型电感,也因为运放在性能的飞速提高的同时价格却一降再降,所以在成本方面有源滤波器已经变得比无源滤波器还有优势。
本文基于这一点介绍了两种常用RC 有源滤波器的结构,以基于实现巴特沃斯逼近的带通波器设计为例,完成了其设计过程,并利用电子仿真软件Pspice 进行了仿真。
1、OrCAD/Pspice16.3简介
对于仿真技术而言,目前最流行的是以美国伯克利分校开发的Spice 为核心的仿真软件,而以Spice 为核心开发的最好的仿真软件是OrCAD/Pspice16.3。
它之所以流行就是因为他能很好地运行在PC 平台上且能很好地进行模拟数字混合信号的仿真,而且能解决很多设计上的实际问题。
OrCAD16.3在以前版本的基础上扩展了许多功能,包括供设计输入的OrCADCaptureR ,供类比与混合讯号模拟用的PspiceRA/DBasics ,供电路板设计的 OrCADLayoutR 以及供高密度电路板自动绕线的SPECCTRAR 4U 。
新加入的SPECCTRA ,用以支援设计日益复杂的各种高速、高密度印刷电路板设计。
OrCAD/PSpice 16.3软件的功能特点有:
(1)对模拟电路不仅可进行直流、交流、瞬态等基本电路特性分析,而且可进行参数扫描分析和统计分析。
(2)以OrCAD/Capture 作为前端,除了以利用Capture 的电路图输入这一基本功能外,还可以实现OrCAD 中设计项目统一管理。
(3)将电路模拟结果和波形显示分析两个模块集成在一起。
Probe 只是其中的一个窗口,在屏幕上可同时显示波形和输出文本等内容,Probe
还具有电路性能分析功能。
(4)使用PSpice 优化器能调整电路,在一定的约束条件下,对电路的某些参数进行调整,直到电路的性能达到要求为
止。
2、RC 有源滤波器的设计
根据线性系统理论,n 阶滤波器的传递函数的一般形式为
11
10
111)()()(a s a s a s b s b s b s b s U s U s A n n n
m m m m i o ++++++++==---- (1) (1)式中,m ≤n ;一个复杂的传递函数可以分解成几个简单的传递函数的乘积。
上式中,若n 为偶数,可分解为n/2个二阶滤波器的级联;而若n 为奇数,则可分解成一个一阶滤波器和(n-1)/2个二阶滤波器的级联。
一阶、二阶滤波器是构
成高阶滤波器的基本单元,二阶滤波器单元传递函数可以写为:0
120
122)(a s a s b s b s b s A ++++=
,其中分子系数0b 、1b 、2b 决
定了传递函数的零点位置,即决定滤波器类型(低通、高通、带通、带阻),分母系数1a 、0a 决定滤波器的特性。
常用的二阶有源滤波器有两种结构,一种是压控电压源型(VCVS),一种是无限增益多路负反馈型(MFB)。
两种电路结构如下:
2.1压空电压源电路分析
图1压控压源双二次型典型电路
由理想运算放大器性质可知,“虚短”时U+=U-,“虚断”时I+=I-=0。
在图(1)中我们可看到o f
f U R R R U U +=
=-+
,
令
f
f
f v R R
R R R A +
=+=
1即为放大器零输入的电压增益。
在节点a 处列KCL 方程
()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨
⎧-=-=-=+=+2
332
1
13
21Y U U I Y U U I Y U U I I I I a o a a i (2) 将43
Y U I +=带入式(2)方程可得
()3
24321212
1)1()()()(Y Y A Y Y Y Y Y Y Y Y A s U s U s A v v i o -++++=
=
(3) 式(3)中,当1Y 、2Y 、3Y 、4Y (不同器件的导纳)取不同的值时就代表不同的滤波器。
低通滤波器的传递函数为
2
22
)(c c
c v s Q
s A s A ωωω++
=
(4)
其中c ω为低通滤波器的截止频率,Q 为品质因数。
1Y 、2Y 为电阻元件,3Y 、4Y 为电容元件,43212
Y Y Y Y c =ω;高通滤
波器的传递函数为
2
22
)(c c
v s Q
s s A s A ωω++
=
(5)
把1Y 、2Y 换成电容元件,3Y 、4Y 换成电阻元件即可得;带通滤波器的传递函数为
2
20
)(ωωω++
=
s Q
s s
Q
A s A v
(6)0ω为带通滤波器的截止频率,但其不能由上图所示框图实现,要做一些变动,通过低通和高通滤波器的级联可得到
带通滤波器;带阻滤波器的传递函数为
2
22
02)
()(ωωω++
+=
s Q
s s A s A v (7)
实现其特性也要对上图所示结构略做改变。
2.2无限增益多路负反馈型电路分析
图2无限增益多路负反馈典型电路
与对压控电压源电路分析情况相同,利用运算放大器性质及a 点的KCL 方程可倒出无限增益多路负反馈电路的传递函数为
()4
3543213
1)()()(Y Y Y Y Y Y Y Y Y s U s U s A i o ++++-=
=
(8) 对于低通滤波器,式(8)分子中不含2
s 项,所以1Y 、3Y 应为电阻元件,分母中含有2
s 项,所以5Y 必须为电容元件,根据其传输函数特点可确定2Y 、4Y 为电阻元件。
带通和高通滤波器的设计与之相似,但其不能完成带阻滤波器的设计,设计带阻滤波器时要对其结构做相应的改动。
通过对上述两种情况的分析,我们根据具体应用可以实现不同特性的有源滤波器的设计。
3、仿真实例
通过以上分析,我们以带通滤波器设计为例进行说明,并利用Pspice 进行仿真。
一阶滤波器电路最简单,但带外传输系数衰减慢,一般在带外衰减特性要求不高的场合下选用。
带通滤波器的性能指标为高频10kHz ,低频4kHz ,可见其频带较宽,当要求带通滤波器的通带较宽时,可用低通滤波器和高通滤波器混合而成,这比单纯用带同滤波器要好。
无限增益多路负反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感,不如压控压源型二阶滤波器。
本文采用一个二阶低通和一个二阶高通滤波器级联实现带通滤波器设计。
(1)图3中低通滤波器的归一化传递函数为
1
1)(2
++=
L L v
L s Q
s A s A 通过查文献知,其巴特沃斯低通滤波器传递函
数的分母多项式为122
++L L
s s ,对比传递函数分母可得2
1=
Q 。
(2)低通滤波器的截至角频率31
211010221⨯⨯===
ππωc c
f CC R R (9)
2101021)1(1131
2121⨯⨯⨯=-++=
πωC R A C R C R Q
v c
(10) (3)取
F F F f C C c μμμ001.010
1010
1031=⨯==
=将其代入式(10)可求得
Ω
=k R 26.111,
Ω=k R 52.222。
(4)
213
4
=+
=R R A v 所以34R R =,又知4321//R R R R =+可求得Ω==k R R 56.6734 (5)同理可确定高通滤波器各个参数的值,最终各参数值如图3所示。
图3带通滤波器设计电路图
4、Pspice 仿真及结果
(1)进入OrCAD/Pspice16.3仿真环境,从元件库中调用各参数所用元器件,并设定各参数值,其最终电路如图3所示。
(2)为方便进行说明我们图3所示电路进行频域扫描,我们选取1v 的Vac 作为激励源,扫描方式为10倍频对数(Logarithmi\Decade ),起始频率为100Hz ,终止频率为100kHz ,扫描结果如图4所示
(3)从图中曲线可以看出,扫描值(4.1764kHz ,10.0000kHz )与计算值(4kHz ,10K )基本吻合。
图4 AC Sweep扫描结果。