基于ORCAD

器设计与仿真

摘要：简要介绍的特点以及其实现有源滤波器仿真的方法，对有源二阶带通滤波器的设计方法进行了详细地分析，用Pspice10.5进行了仿真。

关键词：有源模拟滤波器；带通滤波器；Pspice10.5；仿真； 滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。

用LC网络组成的无源滤波器在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点，而用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，此外，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。由于大多数反映生理信息的光电信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因而RC有源滤波器普遍应用于光电弱信号检测电路中。

一、OrCAD/Pspice10.5简介

对于仿真技术而言，目前最流行的是以美国伯克利分校开发的Spice为核心的仿真软件，而以Spice为核心开发的最好的仿真软件是OrCAD/Pspice10.5。它之所以流行就是因为他能很好地运行在PC平台上且能很好地进行模拟数字混合信号的仿真，而且能解决很多设计上的实际问题。OrCAD10.5在以前版本的基础上

扩展了许多功能，包括供设计输入的OrCADCaptureR ，供类比与混合讯号模拟用的PspiceRA/DBasics，供电路板设计的 OrCADLayoutR以及供高密度电路板自动绕线的SPECCTRAR 4U。新加入的SPECCTRA，用以支援设计日益复杂的各种高速、高密度印刷电路板设计。

OrCAD/PSpice 10.5软件的功能特点有：

1、对模拟电路不仅可进行直流、交流、瞬态等基本电路特性分析，而且可进行参数扫描分析和统计分析。

2、以OrCAD/Capture作为前端，除了以利用Capture 的电路图输入这一基本功能外，还可以实现OrCAD中设计项目统一管理。

3、将电路模拟结果和波形显示分析两个模块集成在一起。Probe只是其中的一个窗口，在屏幕上可同时显示波形和输出文本等内容,Probe

4、使用PSpice 优化器能调整电路,在一定的约束条件下，对电路的某些参数进行调整，直到电路的性能达到要求为止。

二、RC有源滤波器的设计

根据线性系统理论，n阶滤波器的传递函数的一般形式为：

Uo(s)bmsmbm1sm1b1sb0n A(s) （1） Ui(s)san1sn1a1sa0（1）式中，m≤n；一个复杂的传递函数可以分解成几个简单的传递函数的乘积。上式中，若n为偶数，可分解为n/2个二阶滤波器

的级联；而若n为奇数，则可分解成一个一阶滤波器和(n-1)/2个二阶滤波器的级联。一阶、二阶滤波器是构成高阶滤波器的基本单元，

b2s2b1sb0二阶滤波器单元传递函数可以写为：A(s)2其中分子系数

sa1sa0b0、b1、b2。决定了传递函数的零点位置，即决定滤波器类型(低通、

高通、带通、带阻)，分母系数a1、a0决定滤波器的特性。常用的二阶有源滤波器有两种结构，一种是压控电压源型(VCVS)，一种是无限增益多路负反馈型(MFB)。 三 .仿真设计

高阶带通滤波器可以通过高通滤波器与低通滤波器级联而成。 1、技术指标

带通滤波器总增益为1；

通带频率范围为300Hz—3000Hz，通带内允许的最大波动为 -1db--+1db；

阻带边缘频率范围为225Hz和4000Hz、阻带内最小衰减为20db； 2、 设计过程 带通滤波器可以通过

（1）采用低通-高通级联实现带通滤波器；

将带通滤波器的技术指标分成低通滤波器和高通滤波器两个的技术指标，分别设计出低通滤波器和高通滤波器，再级联即得带通滤波器。

低通滤波器的技术指标为：

fPH3000HzfSH4000HzfPL300HzfSL225HzAmax1dBAmin20dBAmax1dBAmin20dBG1

高通滤波器的技术指标为：

G1

（2） 选用切比雪夫逼近方式计算阶数  低通滤波器阶数N1

N1ch1[(100.1Amin1)/(100.1Amax1)]ch(fSH/fPH)1

 高通滤波器阶数N2

N2ch1[(100.1Amin1)/(100.1Amax1)]ch(fPL/fSL)1

（3）求滤波器的传递函数

1). 根据N1查表求出归一化低通滤波器传递函数HLP(s’)，去归一化得

HLP(S)HLP(S')|S'S2fPH

2). 根据N2查表求出归一化高通滤波器传递函数HHP(s’)，去归一化得

HHP(S)HHP(S')|S'2fPL S在这里我举一个二阶带通滤波器的例子。 1.设置参数

设放大器的增益为K，K=2，R1=R2=R3=50K,C1=C2=0.1uF,输入电压

为Vi(s),输出电压为Vo（s）。对如图1电路中的1、2节点列写KCL方程可得： ( (11RR112sC1sC2)V1(s)1RVi(s)11RV2o(s)sC2V2(s)0

RsC2)V2(s)sC2V1(s)0

3 V2(s)1(s) VoK由此可知电路的转移函数为：

H(s)Vo(s)(s)SK1Vis2S[(11RRCRCC21311)11(1RC121)K1RC2](111RRRCC2311)12带通滤波器截至角频率：

p12fc2002

R1R2CC1p

fp245.031847(hz)

(11 Q(11RRCRCC21311)1RRRCC23111()1211)K2112 2RC2Av1R42所以 R5R4又知R1R2R4//R5可求得R5R467.56k R52.仿真电路如下图：

3.仿真结果如下：

4.仿真结果分析如下：

a. 在ORCAD_Pspice10.5/Pspice_student/capture运行环境下， 绘制电路图，设置各元件的参数。

b. 为方便进行说明我们图中所示电路进行频域扫描，扫描方式为10倍频对数，起始频率为1Hz，终止频率为100kHz。

c. 从图中曲线可以看出，扫描值fp=45.082Hz与计算值45.0318Hz基本吻合，所以可知此带通滤波器性能良好。

d. 从图中的曲线上可求出带通滤波器的带宽bw=63.361,由此可求出Q=p/bw=283.114/63.3614.4682与计算值基本吻合，所以可知此带通滤波器性能良好。 5.p和Q的灵敏度：

sRsR1sR2sR3sc1sc2QR1Q;R2Q;R3PPPPpp1

2s0.207s0.207s0.207 s0.914s0.914

结束语

本文提出了带通源滤波器的设计方法并且完成了其设计，并把带通滤波器进行仿真，达到了预期效果。RC有源滤波器构造简单，成本低廉，在工业上用途很大，其研究价值还很高，随着运放精度不断的提高，其性能也会越来越好。OrCAD/Pspice10.5仿真软件为电子仿真技术提供了很广阔的技术平台，其版本正在不断更新，功能也越来越强大，更能为电子电路仿真节约了成本，会被更广泛的应用。

QC1Q;C2

参考文献

[1]杨志民 马义德 张新国《现代电路理论与设计》 清华大学出版社 [2]黄萍 等RC有源滤波器电路的计算机辅助分析[J] 北京：实验技

术与管理 2005.12 39－41

[3]杨倬 等 基于LMF100的有源带通滤波器设计[J] 沈阳：微处理机 2006.02（1）77—78

[4]张为 等译 电子电路设计基础[M] 北京：电子工业出版社 2005.10