OrCADPSpice滤波器的设计与实现.docx

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OrCADPSpice滤波器的设计与实现

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PspiceA／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。

有了PSPICE软件就相当有了电路和电子学实验室。

PSPICE的功能

PSPICE用于模拟电路、数字电路及模数混合电路的分析以及电路的优化设计。

PSPICE的分析功能主要体现在以下几方面：

直流分析：

当电路中某一参数（称为自变量）在一定范围内变化时，对自变量的每一个取值，计算电路的直流偏置特性（称为输出变量）。

交流分析：

作用是计算电路的交流小信号频率响应特性。

噪声分析：

计算电路中各个器件对选定的输出点产生的噪声等效到选定的输入源（独立的电压或电流源）上。

即计算输入源上的等效输入噪声。

瞬态分析：

在给定输入激励信号作用下，计算电路输出端的瞬态响应。

基本工作点分析：

计算电路的直流偏置状态。

蒙特卡罗统计分析：

为了模拟实际生产中因元器件值具有一定分散性所引起的电路特性分散性，PSpice提供了蒙特卡罗分析功能。

进行蒙特卡罗分析时，首先根据实际情况确定元器件值分布规律，然后多次“重复”进行指定的电路特性分析，每次分析时采用的元器件值是从元器件值分布中随机抽样，这样每次分析时采用的元器件值不会完全相同，而是代表了实际变化情况。

完成了多次电路特性分析后，对各次分析结果进行综合统计分析，就可以得到电路特性的分散变化规律。

与其他领域一样，这种随机抽样、统计分析的方法一般统称为蒙特卡罗分析（取名于赌城MonteCarlo）,简称为MC分析。

由于MC分析和最坏情况分析都具有统计特性，因此又称为统计分析。

最坏情况分析：

蒙特卡罗统计分析中产生的极限情况即为最坏情况。

参数扫描分析：

是在指定参数值的变化情况下，分析相对应的电路特性。

温度分析：

分析在特定温度下电路的特性。

在电路设计方面，PSPICE提供了电路设计过程中所需要的各种元器件符号和绘图手段，电路设计师可以直接在PSPICE的电路图编辑器中设计电路图。

利用PSPICE的电路分析功能,可以测试电路的各项性能指标,测试电路在高温,高压等极端条件下的承受能力。

利用PSPICE中提供的各种观测标识符，可以观测电路图中任意点、任何变量以及各种函.数表达式的波形和数据。

可以对电路进行优化设计，将多个设计方案进行比较。

从电路方案的选型、分析、修改、优化设计及最终确定，整个设计过程中不涉及任何硬件和纸笔，不仅能节省开支，简化设计手段，而且大大缩短了设计周期，提高了设计精度。

四、设计路线

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。

从设计方法上可分为切比雪夫滤波器，巴特沃思滤波器。

从处理信号方面可分为经典滤波器和现代滤波器。

在这里介绍两种具体的滤波器设计方法：

（1）切比雪夫滤波器：

是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹

波动的滤波器。

在通带波动的为“I型切比雪夫滤波器”，在阻带波动的为“II型切比雪夫滤波器”。

切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。

切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。

这种滤波器来自切比雪夫多项式，因此得名，用以记念俄罗斯数学家巴夫尼提·列波维其·切比雪夫（ПафнутийЛьвовичЧебышёв）。

（2）巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。

这种滤波器最先由英国工程师斯替芬·巴特沃斯（StephenButterworth）在1930年发表在英国《无线电工程》期刊的一篇论文中提出的。

巴特沃斯滤波器的特性

巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。

在振幅的对数对角频率的波得图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大。

无源滤波器与有源滤波器的比较

无源滤波器：

这种电路主要有无源元件R、L和C组成有源滤波器：

集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。

集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。

但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。

四、设计内容

根据电路理论，信号与系统，电路试验等课程的知识，分别设计出有源一阶低通滤波器，有源二阶低通滤波器的电路图。

根据参考电路或自行设计，搭建合适的RC振荡电路。

用示波器观察求和前后的输出电压波形，验证求和电路的实际效果。

实验前，计算出电路中各元件的参数。

（1）有源一阶低通滤波器设计。

设计一个截止频率fo为1000HZ的1阶有源低通滤波器，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。

用pspice绘制电路图：

其中：

电源电压为1V，上线截止频率

通过pspice仿真后得到幅频特性曲线:

（2）有源二阶低通滤波器设计。

设计一个截止频率fo为1000HZ的2阶有源低通滤波器，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。

用pspice绘制电路图：

其中：

，

电源电压为1V，上线截止频率

通过pspice仿真后得到幅频特性曲线:

实习心得：

这次实践我收获颇丰，原来对理论知识理解不足导致在仿真过程中出现很多问题，例如品质因素Q不知如何去算，不知道电阻值的改变会对图形产生那些影响等，在尝试改变电阻时也时刻看图形的改变，这使得原来死板的公式变得有血有肉起来，同时也加强了对公式的理解。

对现有知识还是不能很好的解决仿真中的问题。

特别是对软件的应用上，非常不熟练。

在去过多次图书馆，翻阅相关书籍我对软件的应用才有了初步了解。

这次实践我认识到想要把知识实际运用还用很长路要走，同时理论知识是实际应用的基础，只有扎实的理论知识才能对实践应用提供可靠,强大的支持。

只有实践应用才能使理论知识变得生动活波。

参考网站：

参考网站：

参考文献

[1]刘树林，程红丽编著.低频电子线路.机械工业出版社2007.8

[2]赵世强，许杰等编.电子电路EDA技术.西安电子科技大学出版社2000.7

[3]康华光.电子技术基础.北京：

高等教育出版社.1999:

35-360

[4]贾新章.OrCAD/Pspice9实用教程[M].北京:

西安电子科技大学出版社,2000.