基于Pspice四阶带通滤波器的设计与实现 毕业论文.doc

基于pspice四阶带通滤波器的设计与实现目 录毕 业 论 文 目 录1引言21 orcad/pspice9.2简介31.1 由来31.2、pspice的优越性42、四阶带通滤波器52.1 设计原理52.1.1 带通滤波电路52.1.2 四阶带通滤波器电路图92.2 四阶带通滤波器电路仿真与分析102.3 四阶带通滤波器的印制电路板设计153 实际电路的验证174 结束语21参考文献：22摘 要 本论文是基于pspice设计并实现有源带通滤波器，对有源带通滤波器的设计方法进行了详细的分析，实现了四阶巴特沃斯带通滤波器设计，用仿真软件pspice对设计结果进行了仿真与分析，并将仿真结果与实际测量结果进行了对比分析。关键词 四阶带通滤波器；pspice；仿真pspice-based fourth-order band-pass filter design and implementationabstract this paper is designed and implemented based on pspice active band-pass filter, band pass filter on the active design a detailed analysis, implementation of the fourth-order butterworth band-pass filter design, design with simulation software pspice the results of the simulation and analysis, and simulation results with actual measurements were compared.keywords fourth-order band-pass filter; pspice; simulation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/pspice9.2简介1.1 由来随着电子计算机技术的发展，计算机辅助设计已经逐渐进入电子设计的领域。模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟，甚至是印制电板、集成电路版图等等都开始采用计算机辅助工具来加快设计效率，提高设计成功率。而大规模集成电路的发展，使得原始的设计方法无论是从效率上还是从设计精度上已经无法适应当前电子工业的要求. 所以采用计算机辅助设计来完成电路的设计已经势在必行。同时，微机以及适合于微机系统的电子设计自动化软件的迅速发展使得计算机辅助设计技术逐渐成为提高电子线路设计的速度和质量的不可缺少的重要工具。在电路设计工作方面，最初使用的是protel公司dos版本的tango软件，在当时这一软件被看作是多么的先进，因为在这以前没有人能像电脑那样快速、准确的画出电路图，制出电路板。如今，随着windows95/98及nt操作系统的出现，一些更方便、快捷的电路设计软件应运而生。如：tango、protel、orcad、pspice、 veribest、 、pad2000 electronics workbench等。pspice是较早出现的eda(electronic design automatic,电路设计自动化)软件之一，也是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一，1984年1月由美国microsim公司首次推出。它是由spice发展而来的面向pc机的通用电路模拟分析软件。 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，生成网表，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。 在国外，pspice软件的使用非常流行。在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。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。有了此软件就相当有了电路和电子学实验室。 1.2、pspice的优越性 电路设计软件有很多，它们各有特色。如protel和tango，它对单层/双层电路板的原理图及pcb图的开发设计很适合，而对于布线复杂，元件较多的四层及六层板来说orcad更有优势。但在电路系统仿真方面，pspice可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，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：、 图形界面友好，易学易用，操作简单 由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图方式，使电路设计更加直观形象。pspice 60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。、实用性强，仿真效果好在pspice中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。如果用protel等软件进行参数修改仿真，则过程十分繁琐。在改变一个参数时，哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接，设置其他参数更为复杂 、功能强大，集成度高在pspice内集成了许多仿真功能，如：直流分析、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（电流）探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压（或电流）-时间图”。而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、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。2、四阶带通滤波器2.1 设计原理设低频段的截止频率fh,高频段的截止频率为fl，频率在fh和fl之间的信号能够通过，低于fh和高于fl 的信号被衰减的滤波电路称为带通滤波器。2.1.1 带通滤波电路将高通滤波器和低通滤波器串联，如图1，就可得到带通滤波器。其中高通部分的截止频率为fh，低通部分的截止频率为fl，可知fh应小于fl，则通频带为（fl-fh）。 au1fuoutui二阶高通滤波器二阶低通滤波器fau 图1 四阶带通滤波器原理框图其中高通和低通部分都采用的是由单个集成运放构成的二阶压控电压源滤波电路，而高通和低通电路都包括了rc选频部分、放大器部分以及反馈部分。则带通滤波器电路原理图如图2 。uoutb2a2c2c1b1a1rl4rl3rlrlrhrh4rhrh3ch1gndgndgndgnd+ch2cl1cl2高通部分低通部分图2 四阶带通滤波器电路原理图根据图2所示，首先对于高通部分，可知a1点的节点电流方程为： 而c1点的节点电流方程为： 同样的，可得出b1点的节点电流方程为：在运算放大器是理想运放的情况下，其反向和正向输入端的净输入电压和净输入电流均可认为为零，即 。联立式、，将、式代入式中，则可得=令，则可得到高通部分的传递函数为：可知其中为高通滤波部分的通带放大倍数为高通部分的截止频率而同理，对于低通部分，a2点的节点电流方程为 而c2点的节点电流方程为： 同样的，可得出b2点的节点电流方程为：同样可认为，联立式、，将、式代入式中，则可得=可得到低通部分的传递函数为：其中为低通滤波部分的通带放大倍数为低通部分的截止频率而因而带通滤波器的传递函数为 = 2.1.2 四阶带通滤波器电路图根据设计原理，对元器件进行选择。对低通部分而言，其截至角频 取 为了使运放输入端电阻对地平衡，在求解电路参数时，还要外加一个等式 /rl4 又 ,即rl3=rl4 联立、，解得 rl1=rl211.3khz;rl3=rl415.8khz，cl=10pf。同理可确定高通滤波器各个参数的值，即rh1=rh2=3.183khz, rh3=rh4=12.56khz，ch=0.01uf最终各参数值如图3所示。 图3 四阶带通滤波器仿真电路图可知其上限截止频率为下限截止频率为2.2 四阶带通滤波器电路仿真与分析、打开pspice9.2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4所示。第一次启动capture cis程序时，需要加载元件库，利用菜单栏启动placepart命令，加载元件库后，调出所需的元件并放置好；同样的，启动placepower命令，放置偏置电源和接地符号；为了方便进行所需的频域的扫描，选取1v的vac作为激励源。、电路绘制完成后，进行元件属性编辑 。首先选定要编辑属性的元件，启动菜单栏editproperties命令，打开元件属性编辑对话框，对其part reference及value等属性进行编辑。至此，一张用capture绘制的电路图全部完成，完成后的电路图如图3。、使用pspice9.2分析该电路。首先创建新仿真文件，只需启动pspicenew simulation profile命令即可，基本设置如图4 。图4 交流分析设置对话框然后开始执行简单的分析，启动pspicerun命令，pspice开始分析，然后自动调用probe显示分析结果波形，如图5。图5 ac sweep扫描结果可以看出，如果分别取70.7%出的值，则可以看出扫描值约在（5 khz，150khz）附近，与计算值（5.002khz，140.916k）基本吻合。然后输出文字文件，如图6.图6 电路的文字输出文档根据前文推出的公式可知，对于高通部分，而,所以要求q1值增大，即增大，即rh4增大或rh3减小。因此，这里将rh4增大，以优化高通部分的过渡带，如图7。同理，可改变低通部分的过渡带。从而优化整个电路。图7 q1与幅频特性变化曲线此外，通过蒙特卡罗统计分析.综合考虑元器件的制造工艺和生产成本等因素，在rh1rh4及rl1rl4的模型中设置电阻值独立随机变化的容差参数dev为10%，执行pspice性能分析并调用特征函数bandwidth(vdb(out)，3)可得到3db带宽的统计分布直方图，如图8所示.从中可以看到100个滤波器的3db带宽主要分布在80k120khz范围内，约占80%，基本可以认为符合合格率。如图8图8 3db带宽的统计分布直方图同理，通过同样的方法调用centerfreq(vdb(out)，3)函数，可以得到滤波器的中心频率的直方图，也具有相同的结论.图9 3db中心频率的统计分布直方图2.3 四阶带通滤波器的印制电路板设计对电路板的印制设计是在protel软件下完成的。要制作印制电路板，需要有原理图和网络表，这是印制电路板的前提。首先，绘制电路图，如图10。图10 电路原理图 其次，生成网络表，如图11.图11 生成的电路原理图网络表在此之后，通过手动规划电路板和电气定义，生成新的pcb板，然后装入网络表和元件封装，对元件封装进行布局，最后完成检查，补充网络连接等步骤后，印制电路板完成。如图12。图12 pcb电路板3 实际电路的验证通过一系列的仿真分析，最后进行实际电路板的焊接。如图14电路中主要用到的芯片是ua741，引脚图如图13。图13 ua741引脚图图14 实际电路图图15 实际电路图背面实际测得的结果与仿真的结果基本相近，但是与理想器件相比，尽管70.7%处的频率基本吻合，但过渡带依然较长，例如上限截止频率在1.2mhz，如图16。图16 过渡带处的波形（频率约800k）图17 阻带处的波形（频率约为1.25mhz）图18 通带内的波形（频率约为124khz）4 结束语这次毕业设计让我重新复习了模拟电子技术基础这本书，在这个过程中，许多以前被忽略的细节被重新翻了出来，并且在某种程度上决定整个设计的方向。同时通过查阅相关资料，了解了四阶带通滤波器与二阶高通、低通滤波器的相互关系，同时又了解和学习了pspice9.2的使用方法。对我来说，这次的设计题目不算很难，反而是学习和掌握一种新的仿真软件显得更加重要。对于整个设计过程，我感慨很多