Pspice实践练习四.docx
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Pspice实践练习四
有源低通滤波器设计
班级：
测控081
姓名：
王丹丹
学号：
0806070101
有源低通滤波器设计
一、滤波器简介：
滤波器是一种能让一部分频率的信号顺利通过，而另一部分频率的信号受到较大幅度的衰减的电路。
这些电路可以由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。
滤波器在日常生活中非常重要，运用非常广泛，在电子工程、通信工程自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表后计算机等技术领域经常需要利用各种滤波器，随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便的构成各种滤波器，用集成电路实现的滤波器与其他滤波器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。
滤波器在电路实验和设备检验中具有十分广泛的用途。
二、设计与仿真任务
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。
三、Pspice简介
SPICE软件是由美国加利福尼亚大学伯克利分校（UniversityofCalifornia,atBerkeley）在1972年完成的通用电路分析程序。
Spice是SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis的缩写。
由于Spice软件具有强大的功能，在世界的电工、电子工程界得到了广泛的应用。
在大学中，是工科类学生必须学会的分析和设计电路的工具；在科研开发部门，它是产品从设计、试验到定型过程中不可缺少的工具。
1988年Spice已经成为美国国家标准。
PSPICE软件是Microsim公司于1984年推出的基于Spice程序的PC机（个人计算机）版。
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。
在对所设计的电路进行硬件实现之前，可先将该电路输入Pspice软件，对于不同的输入状态，对该电路进行时间响应、频率响应、噪声和其他有关信息的仿真分析和优化，以使所设计的电路具有优秀的性能指标。
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软件具有如下功能：
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。
Pspice软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速，准确的仿真能力。
其主要优点有：
（1）图形界面友好，易学易用，操作简单。
有Dos版本的Pspice到Windows版本的Pspice，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理方式，使电路设计更加直观形象。
Pspice6.0以上版本全部采用菜单式结构，只要熟悉Windows操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。
（2）实用性强，仿真效果好
在Pspice环境中，对元件参数的修改很容易，修改完后马上就可以进行仿真，如用Pspice进行参数修改仿真，则过程相当复杂。
（3）功能强大，集成度高
Pspice内集成了许多仿真功能，如：
直流扫描，交流分析，噪声分析，温度分析等，用户只需在所要观察的节点放置电压探针，就可以在仿真结果图中观察其情况，而且该软件还集成了许多数学运算，不仅为用户提供了加，减，乘，除等基本的数学运算，还提供了绝对值，对数，指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的。
另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口，修改坐标，叠加图形等，还具有保存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快倢，简便的方法。
因此，Windows版本的Pspice更优于Dos版本的Pspice，它不但可以输入原理图方式，而且可以输入文本方式，因此它不失为电子工程师的好帮手。
四、有源低通滤波器
有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应得放大器，它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源器件而构成的
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。
五、电路设计与仿真
基于uA741运算放大器的有源低通滤波器
1.uA741的主要特性
uA741是通用高增益运算放大器，双列直插8脚或圆筒8脚封装。
工作电压±22V，差分电压±30V，输入电压±18V，允许功耗500mV。
1-Offsetnull1
2-Invertinginput
3-Non-intertinginput
4-Vcc-
5-Offsetnull2
6-Output
7-Vcc+
8-N.C
uA741的内部功能图
2.基于uA741运算放大器的一阶有源低通滤波器
电路特点:
具有较高输入电阻和较低的输出电阻，还具有电压放大作用。
一阶低通滤波器的优点是结构简单，缺点是过渡区衰减太慢，
一阶有源低通滤波器的电路原理图为:
要求：
截止频率fo为1000HZ，电容C=0.01uf
参数计算
由
得，R=16K欧
取R1=R2=1K欧
则参数确定后的电路图为
绘图与仿真：
一、启动Pspice9.2→Capture→在主页下创建一个工程项目exa1。
⒈选File/New/Project
⒉建立一个子目录→CreateDir（键入e:
\1），并双击、打开子目录；
⒊选中●AnalogorMixed-SignalCircuitOK!
⒋键入工程项目名exa1；
⒌在设计项目创建方式选择对话下，选中●CreateablankproOK!
二、画电路图
⒈打开库浏览器选择菜单Place/Part→AddLibrary
提取：
uA741、电阻R、电容C（analog库）、电源VDC（source库）、模拟地0/Source、信号源VSIN。
⒉移动元、器件。
鼠标选中元、器件并单击（元、器件符号变为红色），然后压住鼠标左键拖到合适位置，放开鼠标左键即可。
⒊删除某一元、器件。
鼠标选中该元、器件并单击（元、器件符号变为红色），选择菜单Edit/delete。
⒋翻转或旋转某一元、器件符号。
鼠标选中该元、器件并单击（元、器件符号变为红色），可按键Ctrl+R即可。
⒌画电路连线
选择菜单中Place/wire
⒍为了突出输出端，需要键入标注Vo字符，选择菜单Place/NetAlias→VoOK!
三、修改元、器件的标号和参数
⒈.用鼠标箭头双击该元件符号（R或C或VDC），此时出现修改框，即可进入标号和参数的设置。
⒉VSIN信号源的设置：
①鼠标选中VSIN信号源的FREQ用鼠标箭头单击（符号变为红色），然后双击，键入FREQ=1kHz、同样方法即键入ＶOEF=1v、VAMPL=100mv。
四、设置分析功能
ACSweep（即频域分析）
1选择菜单PSpice/NewSimulationProfile，在NewSimulation对话框下，键入AC，用鼠标单击Create，然后在屏幕上弹出模拟类型和参数设置框；②在模拟类型和参数设置框下，见Analysistype拦目，用鼠标选中及单击ACSweep/Noise→然后，在ACSweepType拦目下键入下列数据：
Start10Hz，End15KHz，Points/Decade=10
五、仿真
仿真输出电压波形。
同样进入项目管理器窗口，激活TRAN图标，用鼠标选中及单击SCHEMATITC-TRAN，点击鼠标右键，单击MakeActive；①选择菜单PSpice/RUN（或用鼠标点击符号RUN）。
②若无出错，便可观察瞬态分析（时域分析）。
单击菜单Trace/AddTrace→弹出AddTrace对话框。
单击V（Vo），单击OK！
返回（显示V（Vo）波形）；即为幅频特性曲线。
最终通过pspice仿真后得到幅频特性曲线
3.基于uA741运算放大器的二阶有源低通滤波器
二阶有源低通滤波器的电路原理图
要求：
fo为1000HZ
设计系数α=1.414，即Q=0.707、R1=R2=R,C1=C2=C,取电容C=0.01uf
参数计算：
由
得，R=16K欧
Q=1/（3-A）,其中A为二阶低通滤波器的带通增益，A=1+Rf/R1
由Q=0.707得，A=1.59,即Rf/R1=1.59，
可取Rf=1K欧，R1=1.7K欧
则参数确定后的电路图为
绘图与仿真：
一、启动Pspice9.2→Capture→在主页下创建一个工程项目exa1。
⒈选File/New/Project
⒉建立一个子目录→CreateDir（键入e:
\1），并双击、打开子目录；
⒊选中●AnalogorMixed-SignalCircuitOK!
⒋键入工程项目名exa1；
⒌在设计项目创建方式选择对话下，选中●CreateablankproOK!
二、画电路图
⒈打开库浏览器选择菜单Place/Part→AddLibrary
提取：
uA741、电阻R、电容C（analog库）、电源VDC（source库）、模拟地0/Source、信号源VSIN。
⒉移动元、器件。
鼠标选中元、器件并单击（元、器件符号变为红色），然后压住鼠标左键拖到合适位置，放开鼠标左键即可。
⒊删除某一元、器件。
鼠标选中该元、器件并单击（元、器件符号变为红色），选择菜单Edit/delete。
⒋翻转或旋转某一元、器件符号。
鼠标选中该元、器件并单击（元、器件符号变为红色），可按键Ctrl+R即可。
⒌画电路连线
选择菜单中Place/wire
⒍为了突出输出端，需要键入标注Vo字符，选择菜单Place/NetAlias→VoOK!
三、修改元、器件的标号和参数
⒈.用鼠标箭头双击该元件符号（R或C或VDC），此时出现修改框，即可进入标号和参数的设置。
⒉VSIN信号源的设置：
①鼠标选中VSIN信号源的FREQ用鼠标箭头单击（符号变为红色），然后双击，键入FREQ=1kHz、同样方法即键入ＶOEF=1v、VAMPL=100mv。
四、设置分析功能
ACSweep（即频域分析）
选择菜单PSpice/NewSimulationProfile，在NewSimulation对话框下，键入AC，用鼠标单击Create，然后在屏幕上弹出模拟类型和参数设置框；在模拟类型和参数设置框下，见Analysistype拦目，用鼠标选中及单击ACSweep/Noise→然后，在ACSweepType拦目下键入下列数据：
Start10Hz，End15KHz，Points/Decade=10
五、仿真
仿真输出电压波形。
同样进入项目管理器窗口，激活TRAN图标，用鼠标选中及单击SCHEMATITC-TRAN，点击鼠标右键，单击MakeActive；①选择菜单PSpice/RUN（或用鼠标点击符号RUN）。
②若无出错，便可观察瞬态分析（时域分析）。
单击菜单Trace/AddTrace→弹出AddTrace对话框。
单击V（Vo），单击OK！
返回（显示V（Vo）波形）；即为幅频特性曲线。
最终通过pspice仿真后得到幅频特性曲线
通过有源一阶和二阶低通滤波器的幅频特性曲线的比较可知:
二阶比一阶低通滤波器的滤波效果更好,输出电压在高频段以更快的速率下降，改善了滤波效果.
六、心得体会:
通过滤波器的设计，让我懂得了以前很多不懂得东西，这样的实习将所学的理论应用到实践中，加深了对理论的理解，我想这对以后的学习乃至工作都是很有帮助的，这次实习也让我感觉到成功的喜悦，尤其是当做好一个滤波器时，知道努力没有白费，增加了信心，在作业过程中遇到了很多问题，都是上网查资料、图书馆找资料，同学之间的相互讨论解决了这些问题,这让我有收获了很多.
通过这次实习,也让我对Pspice软件有了更深的理解，利用Pspice软件对电路进行设计仿真，仿真效果准确，逼真，形象，在跟踪性和快速性方面取得了令人满意的效果。
可以达到电路的最优化设计，既可以省去在面板上做繁杂的试验，又可以节省购买实验元器件，它为电路设计者提供了一个创造性的工作环境，不仅能使设计者的设计达到高质量、高可靠性，同时它使设计者有更多的时间和机会更充分地发挥其聪明才智，实现更好的优化。
我觉得让我感触最深的就是自己懂得的太少了，很多问题都不会，这次实习解决了一点，但还有更多的问题有待于解决，我想在以后的学习中我会继续学习有关知识，将自己的知识加以扩展。
附录1
一阶有源低通滤波器元件清单
序号
名称
型号规格
数量
1
电阻
1K
2
16K
1
2
电容
0.01uf
1
3
运算放大器
uA741
1
附录2
二阶有源低通滤波器元件清单
序号
名称
型号规格
数量
1
电阻
1K
1
16K
2
1.7K
1
2
电容
0.01uf
2
3
运算放大器
uA741
1
参考文献
【1】贾新章.OrCAD/Pspice9实用教程[M].北京:
西安电子科技大学出版社
【2】吴建强主编.PSpice仿真实践.哈尔滨工业大学出版社
【3】刘树林程红丽主编.低频电子线路,机械工业出版社
【4】赵雅兴主编.电子线路PSPICE分析与设计.天津大学出版社，1995
【5】康华光.电子技术基础.北京：
高等教育出版社.1999:
35-360
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