基于Pspice的八阶巴特沃斯低通滤波器设计与优化_图文

1、基于Pspice的八阶巴特沃斯低通滤波器设计与优化叶榆贺国权(涪陵师范学院物理学及电子信息工程系,重庆408003摘要:介绍了低通滤波器的原理,采用有源滤波器的快速实用设计方法设计了八阶巴特沃斯低通滤波器,并用Pspice进行了电路仿真分析和优化设计,仿真结果与实际测试基本吻合,对滤波器的设计具有实际指导意义。关键词:巴特沃斯低通滤波器;Pspice仿真分析;优化设计中图分类号:TN713.4文献标识码:A0引言巴特沃斯(butterworth滤波器是一种具有最大平坦幅度响应的低通滤波器。它在线性相位、衰减斜率和加载特性三方面具有特性均衡的优点,特别是随着阶数的增加,衰减斜率会逐渐增加。因此,

2、巴特沃斯滤波器已被广泛使用1。笔者利用Pspice软件,设计了一八阶压控电压源型巴特沃斯低通滤波器,并对其性能指标进行了仿真分析与参数的优化设计。1巴特沃斯低通滤波器的原理理想滤波器是不可能实现的,但可用下面的传递函数2对理想特性加以逼近:H(s=U2(sU s(1=a m s m+a m-1s m-1+a1s+a0b n s n+b n-1s n-1+b1s+b0(1其中a、b为实数,m,n=1,2,3(mn。分母多项式的幂次n即为滤波器的阶数。我们把讨论限定在全极点函数,则对上式除a0外所有分子项系数a均为零,则传递函数变成一常数与多项式之比:H(s=U2U1=a0b n s n+b n-

3、1s n-1+b1s+b0(2令a0=Gb0,b n=1,则有:H(s=U2U1=Gb0s n+b n-1s n-1+b1s+b0(3(3式表示一个阶全极点近似式,它没有有限零点,只有有限极点。低通滤波器的增益是传递函数在s=0时的值,即G。巴特沃斯低通滤波器的平方幅度响应为:|H(jw|2= 1/(1+|w/w c|2n。其中,n为滤波器的阶数,w c为低通滤波器的截止频率,该滤波器具有如下的特殊性质3:1对所有的n,都有当w=0时,|H(j0|2=1;2对所有的n,都有当w=w c时,|H(jw c|2 =1/2,即在w c处有3dB的衰减;3|H(jw|2是w的单调递减函数,即不会出现幅

4、度响应的起伏;4当n+时,巴特沃斯滤波器趋向于理想的低通滤波器;5在w=0处平方幅度响应的各级导数均存在,且等于0;因此|H(jw|2在该点上取得最大值,且具有最大平坦特性。2设计原理2.1设计指标设计的低通滤波器性能指标如表1:表1低通滤波器的性能指标通带截止频率阻带截止频率阻带最小衰减通带最大衰减总增益1MHz 1.5MHz80dB6dB102.2电路设计设计采用级联法,利用参考文献4中的压控电压源低通滤波器二阶基本节相级联构成如图1所示的八阶S-K 巴特沃斯低通滤波器。图1八阶S-K巴特沃斯低通滤波器2.3参数设计按照参考文献4中有源滤波器的快速实用设计方法进行参数设计。给定截止频率f

5、c(H z,增益G,阶数n和滤波器类型后,按下面的步骤设计参数:第一步:按表25选择二阶基本节电容C值,f c=1MHz =1×106Hz,故选取C=100p F,由下式计算简化设计参数K。K=100f c C=1001×106×100×10-6=I(4第二步:除C以外的电容值直接由所选的C值和八阶压控电压源巴特沃斯级联低通滤波器设计表4中查得的数山西电子技术2006年第3期应用实践收稿日期:2006-03-09第一作者叶榆女23岁本科生值确定。 第三步:低通滤波器设计表 4中的电阻值是对应于K =1的情况,因此,必须把这些数值乘以由第一步得到的参数K

6、,才能获得电路的实际电阻值。由于本设计中的K =1,所以电路中的电阻值即为低通滤波器设计表4中查得的值,单位为K。见图1。表2滤波器工作频率与电容值的对应关系f (1-10Hz (10-102Hz (102-103Hz (1-10KHz (10-103KHz (102-103KHz c(20-10F(10-0.1F (0.1-0.01F (104-103F (103-102F (102-10F3仿真及优化设计好基本电路和参数后,用Pspice 进行仿真分析6,并对参数进行优化设计。3.1幅频、相频特性仿真分析仿真分析类型选择AC Sweep 分析,用L T1226/L T 运放能得到满足性能指

7、标的幅频、相频特性如图2:图2本低通滤波器的幅频、相频特性仿真图3.2电路优化设计为了能调用Pspice 中的优化模块,被优化的电路应满足如下条件6:1电路设计应已通过常规的Pspice 模拟,基本实现了要求的功能;2通过电路模拟只能给出节点电压和支路电流;3选择执行Pspice 菜单中的“Place Optimizer Parame 2ters ”子命令,否则不能进行优化设计。对电路优化设计时,可同时调整最多8个目标参数和约束条件(至少要有一个目标参数。通过图2可以看出,此设计已基本达到性能指标要求。现调用Optimizor 工具对元器件参数值进行优化设计,使设计的滤波器更接近性能指标及实际

8、要求。3.2.1待调整元器件参数的设置电路中可调整的参数选择R1、R4、R5、R8、R9、R12、R13、R14,将其阻值依次设为R1Val、R4Val、R5Val、R8Val、R9Val、R12Val、R13Val、R14Val,其设置如表3所示。3.2.2优化指标的设置图1电路要优化的指标主要有增益和带宽,采用Pspice 中提供的特征值函数计算这2个目标参数,它们与输出电压信号的关系为:G ain :max (v (vout L PBW :L PBW (vdb (vout ,3其优化指标的主要设置如表4所示:表3滤波器电路中待调整参数的设置Name Initial Current Val

9、ue ToleranceLower Upper R1Val 1.311k 1.311k 00.1100k R4Val 12.938k 12.938k 00.1100k R5Val 1.432k 1.432k 00.1100k R8Val 6.402k 6.402k 00.1100k R9Val0.957k 0.957k 00.1100k R12Val 7.207k 7.207k 00.1100k R13Val 0.959k 0.959k 00.1100k R14Val5.285k5.285k0.1100k表4优化指标的主要设置设置项目增益3db 带宽Name G ainL PBWReferen

10、ce InternalTarget 101MegHz Range 0.110Hz AnalysisAC3.2.3优化结果图3滤波器电路优化结果优化结果如图3所示,系统共进行了6次迭代,调用了26次电路模拟程序。由图3的结果可见,如果8个待调整的元器件参数分别取为优化设计值:R1Val =1.30165、R4Val =12.9892、R5Val =1.42624k 、R8Val =6.40001、R9Val =956.95、R12Val =7.20543k 、R13Val =958.982、R14Val =5.28602k ,可以使2个设计指标达到:G ain =10.0201L PBW =1M

11、eghz满足设计要求。优化后选择执行图3中Edit 菜单的UpdateSchematic 子命令,将用优化结果得到的元器件最佳值更新电路上相应元器件的取值。4结束语用有源滤波器的快速实用设计方法设计了八阶巴特沃斯低通滤波器的初电路,在PSpice 环境下对其进行了后期设计及交流分析,并通过优化设计使电路性能更理想。优化结束后若选择执行图4中Edit 菜单的Round Near 2est 子命令,将使优化得到的最佳元器件值取为最接近的元器件系列标称值,实际电路与仿真结果基本吻合。26山西电子技术2006年参考文献1Jim K arki.Active Low 2Pass Filter Design

12、.TEXAS IN 2STRUMEN TSM .ApplicatioReport.SLOA049A 2Octo 2ber ,2000.3-12.2陈思.巴特沃斯低通滤波器的简化快速设计J .信阳师范学院学报(自然科学版,1997(7.3李钟慎.基于MA TLAB 设计巴特沃斯低通滤波器J .信息技术,2003(3.4(美D.E 约翰逊、J.L 希尔伯恩.有源滤波器的快速实用设计M .北京:人民邮电出版社,1980:42.5戴伏生.基础电子电路设计与实践M .北京:国防工业出版社,2002:241.6贾新章,武岳山.电子电路CAD 技术基于OrCAD 9.2M .西安电子科技大学出版社,2004

13、:88-89、157-174.The Design and Optimization of Low Pass Filter B ased on PspiceY e Yu He Guo 2quan(Depart ment of Physics and Elect ronic Inf orm ation Engineering ,Fuling Norm al College ,Chongqing 408003,China Abstract :In this paper ,the principle of the low pass filter is introduced ,with the fas

14、t and practical design method of active filter it designs one eight 2sections s 2k Butterworth active low pass filter ,and carries out the artificial analysis of the circuit and optimization design with Pspice.The artificial result is basically identical with the real test that has actual directive

15、significance to the design of the filter.K ey w ords :Butterworth low pass filter ;Pspice emulation analysis ;optimization design (上接第30页S JA1000的初始化只有在复位模式下才可以进行,初始化主要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器(AMR 和接收代码寄存器(ACR 的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器(IER 的设置等。在完成S JA1000的初始化设置以后,S JA1000就可以回到工作状态,进行正常的通信任务。4.2发送过程发送子

16、程序负责节点报文的发送。发送时用户只需将待发送的数据按照特定格式组合成一帧报文,送入S JA1000发送缓冲区中,然后启动S JA1000发送即可。当然在往S JA1000发送缓存区送报文之前,必须先作一些判断,即查看状态寄存器,判断是否正在接收、判断上次发送是否完成、判断发送缓冲区是否锁定等。发送程序分发送远程帧和数据帧两种,远程帧无数据场。4.3接收过程接收子程序负责节点报文的接收以及其它情况处理。接收子程序比发送子程序要复杂一些,因为在处理接收报文的过程中,同时要对诸如总线关闭、错误报警、接收溢出等情况进行处理。S JA1000报文的接收主要有两种方式:中断接收方式和查询接收方式。如果对

17、通信的实时性要求不是很强,可采用查询接收方式。两种接收方式的编程思路基本相同。5总结现场总线既是一个开放的通信网络,又是一种全分布控制系统。它是智能设备的联系纽带,把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统。CAN 总线面向的是数据而不是节点,这种方式的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制加入或减少设备不影响整个系统的工作。基于DSP 的CAN 总线系统智能节点充分利用了DSP 超强的数据处理能力和CAN 总线的数据通信的可靠性、实时性和灵活性特点,为此系统的实现提供了新的思路。参考文献1王云.CAN 总线控制技术J .网文,200饶运涛.现场总线CAN 原理与

18、应用技术M .北京:北京航空航天大学出版社,2003.6.3冯军.一种新型总线系统CANJ .网文.4邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计M .北京:北京航空航天大学出版社,1996.Intelligent Node Design of CAN Bus System B ased on DSPZhong Tao 1Ni Hai 2dan 2S ong Jin 2ge 3(1.Dept.of Com puter Science ,Y uxi Norm al College ,Y uxi Y unnan 653100,China ;2.Y unnan Province Telecom Co.,L td ,Y uxi Filiale Y uxi Y unnan 653100,China ;3.X uz hou Huaxin Generating Corp.L td ,X uz hou Jiangsu 221000,China Abstract :An international standard about CAN has been formed.The CAN bus is thou ght as one of most promising field bus.With development of the pe