基于Pspice的八階巴特沃斯低通濾波器設(shè)計與優(yōu)化_圖文

1、基于Pspice的八階巴特沃斯低通濾波器設(shè)計與優(yōu)化葉榆賀國權(quán)(涪陵師范學(xué)院物理學(xué)及電子信息工程系,重慶408003摘要:介紹了低通濾波器的原理,采用有源濾波器的快速實用設(shè)計方法設(shè)計了八階巴特沃斯低通濾波器,并用Pspice進行了電路仿真分析和優(yōu)化設(shè)計,仿真結(jié)果與實際測試基本吻合,對濾波器的設(shè)計具有實際指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:巴特沃斯低通濾波器;Pspice仿真分析;優(yōu)化設(shè)計中圖分類號:TN713.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0引言巴特沃斯(butterworth濾波器是一種具有最大平坦幅度響應(yīng)的低通濾波器。它在線性相位、衰減斜率和加載特性三方面具有特性均衡的優(yōu)點,特別是隨著階數(shù)的增加,衰減斜率會逐漸增加。因此,

2、巴特沃斯濾波器已被廣泛使用1。筆者利用Pspice軟件,設(shè)計了一八階壓控電壓源型巴特沃斯低通濾波器,并對其性能指標(biāo)進行了仿真分析與參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。1巴特沃斯低通濾波器的原理理想濾波器是不可能實現(xiàn)的,但可用下面的傳遞函數(shù)2對理想特性加以逼近: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為實數(shù),m,n=1,2,3(mn。分母多項式的冪次n即為濾波器的階數(shù)。我們把討論限定在全極點函數(shù),則對上式除a0外所有分子項系數(shù)a均為零,則傳遞函數(shù)變成一常數(shù)與多項式之比:H(s=U2U1=a0b n s n+b n-

3、1s n-1+b1s+b0(2令a0=Gb0,b n=1,則有:H(s=U2U1=Gb0s n+b n-1s n-1+b1s+b0(3(3式表示一個階全極點近似式,它沒有有限零點,只有有限極點。低通濾波器的增益是傳遞函數(shù)在s=0時的值,即G。巴特沃斯低通濾波器的平方幅度響應(yīng)為:|H(jw|2= 1/(1+|w/w c|2n。其中,n為濾波器的階數(shù),w c為低通濾波器的截止頻率,該濾波器具有如下的特殊性質(zhì)3:1對所有的n,都有當(dāng)w=0時,|H(j0|2=1;2對所有的n,都有當(dāng)w=w c時,|H(jw c|2 =1/2,即在w c處有3dB的衰減;3|H(jw|2是w的單調(diào)遞減函數(shù),即不會出現(xiàn)幅

4、度響應(yīng)的起伏;4當(dāng)n+時,巴特沃斯濾波器趨向于理想的低通濾波器;5在w=0處平方幅度響應(yīng)的各級導(dǎo)數(shù)均存在,且等于0;因此|H(jw|2在該點上取得最大值,且具有最大平坦特性。2設(shè)計原理2.1設(shè)計指標(biāo)設(shè)計的低通濾波器性能指標(biāo)如表1:表1低通濾波器的性能指標(biāo)通帶截止頻率阻帶截止頻率阻帶最小衰減通帶最大衰減總增益1MHz 1.5MHz80dB6dB102.2電路設(shè)計設(shè)計采用級聯(lián)法,利用參考文獻(xiàn)4中的壓控電壓源低通濾波器二階基本節(jié)相級聯(lián)構(gòu)成如圖1所示的八階S-K 巴特沃斯低通濾波器。圖1八階S-K巴特沃斯低通濾波器2.3參數(shù)設(shè)計按照參考文獻(xiàn)4中有源濾波器的快速實用設(shè)計方法進行參數(shù)設(shè)計。給定截止頻率f

5、c(H z,增益G,階數(shù)n和濾波器類型后,按下面的步驟設(shè)計參數(shù):第一步:按表25選擇二階基本節(jié)電容C值,f c=1MHz =1×106Hz,故選取C=100p F,由下式計算簡化設(shè)計參數(shù)K。K=100f c C=1001×106×100×10-6=I(4第二步:除C以外的電容值直接由所選的C值和八階壓控電壓源巴特沃斯級聯(lián)低通濾波器設(shè)計表4中查得的數(shù)山西電子技術(shù)2006年第3期應(yīng)用實踐收稿日期:2006-03-09第一作者葉榆女23歲本科生值確定。 第三步:低通濾波器設(shè)計表 4中的電阻值是對應(yīng)于K =1的情況,因此,必須把這些數(shù)值乘以由第一步得到的參數(shù)K

6、,才能獲得電路的實際電阻值。由于本設(shè)計中的K =1,所以電路中的電阻值即為低通濾波器設(shè)計表4中查得的值,單位為K。見圖1。表2濾波器工作頻率與電容值的對應(yīng)關(guān)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仿真及優(yōu)化設(shè)計好基本電路和參數(shù)后,用Pspice 進行仿真分析6,并對參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。3.1幅頻、相頻特性仿真分析仿真分析類型選擇AC Sweep 分析,用L T1226/L T 運放能得到滿足性能指

7、標(biāo)的幅頻、相頻特性如圖2:圖2本低通濾波器的幅頻、相頻特性仿真圖3.2電路優(yōu)化設(shè)計為了能調(diào)用Pspice 中的優(yōu)化模塊,被優(yōu)化的電路應(yīng)滿足如下條件6:1電路設(shè)計應(yīng)已通過常規(guī)的Pspice 模擬,基本實現(xiàn)了要求的功能;2通過電路模擬只能給出節(jié)點電壓和支路電流;3選擇執(zhí)行Pspice 菜單中的“Place Optimizer Parame 2ters ”子命令,否則不能進行優(yōu)化設(shè)計。對電路優(yōu)化設(shè)計時,可同時調(diào)整最多8個目標(biāo)參數(shù)和約束條件(至少要有一個目標(biāo)參數(shù)。通過圖2可以看出,此設(shè)計已基本達(dá)到性能指標(biāo)要求?，F(xiàn)調(diào)用Optimizor 工具對元器件參數(shù)值進行優(yōu)化設(shè)計,使設(shè)計的濾波器更接近性能指標(biāo)及實際

8、要求。3.2.1待調(diào)整元器件參數(shù)的設(shè)置電路中可調(diào)整的參數(shù)選擇R1、R4、R5、R8、R9、R12、R13、R14,將其阻值依次設(shè)為R1Val、R4Val、R5Val、R8Val、R9Val、R12Val、R13Val、R14Val,其設(shè)置如表3所示。3.2.2優(yōu)化指標(biāo)的設(shè)置圖1電路要優(yōu)化的指標(biāo)主要有增益和帶寬,采用Pspice 中提供的特征值函數(shù)計算這2個目標(biāo)參數(shù),它們與輸出電壓信號的關(guān)系為:G ain :max (v (vout L PBW :L PBW (vdb (vout ,3其優(yōu)化指標(biāo)的主要設(shè)置如表4所示:表3濾波器電路中待調(diào)整參數(shù)的設(shè)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優(yōu)化指標(biāo)的主要設(shè)置設(shè)置項目增益3db 帶寬Name G ainL PBWReferen

10、ce InternalTarget 101MegHz Range 0.110Hz AnalysisAC3.2.3優(yōu)化結(jié)果圖3濾波器電路優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化結(jié)果如圖3所示,系統(tǒng)共進行了6次迭代,調(diào)用了26次電路模擬程序。由圖3的結(jié)果可見,如果8個待調(diào)整的元器件參數(shù)分別取為優(yōu)化設(shè)計值: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個設(shè)計指標(biāo)達(dá)到:G ain =10.0201L PBW =1M

11、eghz滿足設(shè)計要求。優(yōu)化后選擇執(zhí)行圖3中Edit 菜單的UpdateSchematic 子命令,將用優(yōu)化結(jié)果得到的元器件最佳值更新電路上相應(yīng)元器件的取值。4結(jié)束語用有源濾波器的快速實用設(shè)計方法設(shè)計了八階巴特沃斯低通濾波器的初電路,在PSpice 環(huán)境下對其進行了后期設(shè)計及交流分析,并通過優(yōu)化設(shè)計使電路性能更理想。優(yōu)化結(jié)束后若選擇執(zhí)行圖4中Edit 菜單的Round Near 2est 子命令,將使優(yōu)化得到的最佳元器件值取為最接近的元器件系列標(biāo)稱值,實際電路與仿真結(jié)果基本吻合。26山西電子技術(shù)2006年參考文獻(xiàn)1Jim K arki.Active Low 2Pass Filter Design

12、.TEXAS IN 2STRUMEN TSM .ApplicatioReport.SLOA049A 2Octo 2ber ,2000.3-12.2陳思.巴特沃斯低通濾波器的簡化快速設(shè)計J .信陽師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版,1997(7.3李鐘慎.基于MA TLAB 設(shè)計巴特沃斯低通濾波器J .信息技術(shù),2003(3.4(美D.E 約翰遜、J.L 希爾伯恩.有源濾波器的快速實用設(shè)計M .北京:人民郵電出版社,1980:42.5戴伏生.基礎(chǔ)電子電路設(shè)計與實踐M .北京:國防工業(yè)出版社,2002:241.6賈新章,武岳山.電子電路CAD 技術(shù)基于OrCAD 9.2M .西安電子科技大學(xué)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頁S JA1000的初始化只有在復(fù)位模式下才可以進行,初始化主要包括工作方式的設(shè)置、接收濾波方式的設(shè)置、接收屏蔽寄存器(AMR 和接收代碼寄存器(ACR 的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器(IER 的設(shè)置等。在完成S JA1000的初始化設(shè)置以后,S JA1000就可以回到工作狀態(tài),進行正常的通信任務(wù)。4.2發(fā)送過程發(fā)送子

16、程序負(fù)責(zé)節(jié)點報文的發(fā)送。發(fā)送時用戶只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照特定格式組合成一幀報文,送入S JA1000發(fā)送緩沖區(qū)中,然后啟動S JA1000發(fā)送即可。當(dāng)然在往S JA1000發(fā)送緩存區(qū)送報文之前,必須先作一些判斷,即查看狀態(tài)寄存器,判斷是否正在接收、判斷上次發(fā)送是否完成、判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否鎖定等。發(fā)送程序分發(fā)送遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀兩種,遠(yuǎn)程幀無數(shù)據(jù)場。4.3接收過程接收子程序負(fù)責(zé)節(jié)點報文的接收以及其它情況處理。接收子程序比發(fā)送子程序要復(fù)雜一些,因為在處理接收報文的過程中,同時要對諸如總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。S JA1000報文的接收主要有兩種方式:中斷接收方式和查詢接收方式。如果對

17、通信的實時性要求不是很強,可采用查詢接收方式。兩種接收方式的編程思路基本相同。5總結(jié)現(xiàn)場總線既是一個開放的通信網(wǎng)絡(luò),又是一種全分布控制系統(tǒng)。它是智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶,把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。CAN 總線面向的是數(shù)據(jù)而不是節(jié)點,這種方式的優(yōu)點是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制加入或減少設(shè)備不影響整個系統(tǒng)的工作?；贒SP 的CAN 總線系統(tǒng)智能節(jié)點充分利用了DSP 超強的數(shù)據(jù)處理能力和CAN 總線的數(shù)據(jù)通信的可靠性、實時性和靈活性特點,為此系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了新的思路。參考文獻(xiàn)1王云.CAN 總線控制技術(shù)J .網(wǎng)文,200饒運濤.現(xiàn)場總線CAN 原理與

18、應(yīng)用技術(shù)M .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.6.3馮軍.一種新型總線系統(tǒng)CANJ .網(wǎng)文.4鄔寬明.CAN 總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計M .北京:北京航空航天大學(xué)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