滤波器优化设计.doc

电子技术课程设计课题名称 基于Pspice的滤波器的优化设计姓名 学号 班级 指导老师 吕宗伟导师设计时间 2012-5-172012-6-23基于PSPICE的巴特沃斯五阶低通滤波器的优化设计一、设计目的（1） 掌握滤波器的基本概念； （2） 掌握滤波器传递函数的描述方法；（3） 掌握巴特沃斯滤波器的设计方法；（4） 了解PSPICE对电路进行优化设计的基本原理；（5） 掌握利用PSPICE Optimizer对电路进行优化设计的方法和步骤；二、设计原理及PSPICE简介2.1）、巴特沃斯滤波器频率响应（图左）和一级至五级巴特沃斯低通滤波器的响应（图右）：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。一阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频6分贝，每十倍频20分贝。二阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12分贝、 三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18分贝、如此类推。巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，并且也是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同的形状。阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数的逼近函数为：2.2）、巴特沃斯低通原型滤波器的分母多项式2.3）、设计技术指标及要求要求2.3.1）、技术指标为：1)通带截止频率为2)阻带截止频率3)通带最大衰减频率4)阻带最大衰减频率2.3.2)、设计和优化的要求：1）确定滤波器的阶数和传递函数；2)给出电路结构和元件参数；（运算放大器可以选择）3)利用PSPICE软件对电路进行仿真，得到滤波器的幅频响应，是否满足设计指标；4）如果要求其他技术指标不变（或者在合理的变化范围内），而阻带截止频率改变为， 确定改变电路中的什么参数可以实现这个目标，并且启动PSPICE Optimizer对电路进行优化。三、设计步骤1） 根据要求确定滤波器的阶数N2） 确定传递函数3） 综合电路图设计4） 计算原件取值5） 仿真优化4、 设计过程4.1）、由技术指标中知，在通带截止频率处，滤波器的幅频响应为-2dB在阻带截止频率处的幅频响应为-30dB解得：N=4.25 ;=5.28kHz ;Wc=2.5.28kHz ，该滤波器阶数为5阶4.2）、由滤波器的阶数查表知道传递函数如下令则有4.3）、电路图设计5阶巴特沃斯低通滤波器电路可以通过1个一阶低通滤波器和2个二阶低通滤波器级联构成。因为任何高阶的巴特沃斯滤波器都可以由一阶滤波器和二阶滤波器级联组成。则电路的设计如下图所示：比较2个传递函数，得系数方程求解图如下： 电路仿真则有滤波器的通带增益为,取和的值都为2kHz 则20LgA=16.364.4）、电路仿真，电路原理图（图一）和仿真得到的响应 （图二） （图一） （图二）由仿真的结果结果得到起幅频响应：1)通带截止频率为，幅频响应为14.078dB2)阻带截止频率为，幅频响应为-13.818dB3）当截止频率为, 幅频响应为13.019dB 由于=6.58 , 20LgA=16.36则有：1)通带截止频率为 ,幅频响应为-2.282dB2)阻带截止频率 ,幅频响应为-30.178dB3）当截止频率为=5.28kHz, 幅频响应为-3.341dB五、优化设计5.1）、修改阻带截止频率为并计算参数 求解的N=4.16, =5.09kHz 如上的方法计算同理得知道其他的参数不必修改，将5.2）、由仿真的结果得到幅频响应：1）通带截止频率为 ,幅频响应为-1.982dB2）阻带截止频率 ,幅频响应为-33.462dB3）当截止频率为=5.09kHz, 幅频响应为-3.789dB由仿真得到的数据说明，频率响应的各项参数都在允许的误差范围内波动，因此可以进行优化设计。5.3）、优化过程及操作选取和为可以改变的参数，选取和为目标参数，优化时的数据设计如下所示由优化设计知当和时满足优化方案，此时系统共迭代了3次，调用了5次电路模拟函数七、总结体会及错误纠正 这次的课程设计给了我很多不一样的收获1、 计算巴特沃斯滤波器的阶数时，遇到了难题，我没有用有效的函数来求解，而是编程C语言求解其阶数N和截止频率的。2、 在设计电路原理图时，由于忘记了一些关于模拟电路滤波器的知识，一时间不知道该怎么组合电路，后来我仔细的去复习了先关的知识，结合书本设计出来电路的原理图3、 在安装好软件后，总是不知道软件怎么用，遇到很多操作上的问题，后来是问老师,老师给了我下载软件的地址，自己也搜索了视屏教程来学习软件的使用。4、 有些Pspice软件里只能有一个变量，一个目标和一个约束条件，在多次使用不同版本的软件之后才找到自己能用的软件5、 在画原理图时要注意细节，例如接地，运放要接电源等6、 在对参数进行变量设置时，要注意变量名的更改和数据的合理设置，在进行优化参数设置时，Farget和Fvaluate里的参数要一一的对应才可以，不然就会出错。7在最后的优化结果出来时，不知道迭代次数和调用函数次数在哪里读取，还是用有道翻译才知道的。8贯穿文档的写作中，对于函数公式编辑器的使用不够熟练，有些公式的编辑是先查百度之后才知道怎么编写的。 虽然设计对于我来说很难，但我还是运用Pspice软件成功的设计了一款巴特沃斯五阶低通滤波器，虽然有些是借鉴网上的知识，但自己从中受益良多。不仅复习了原来学过的关于滤波器的知识，也掌握了滤波器的一些重要概念，对其各种参数、功能也有了更深的理解。也意识到Pspice的强大功能，是最流行的和最实用的电子电路仿真软件之一，作为电气学院的学生，我有必要要好好掌握该软件的基本操作。八、参考资料1. 模拟电子技术基础，唐治德主编，科学出版社，2009年8月。2. 电子电路的计算机辅助分析与设计方法，汪蕙