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[摘要]有源滤波器设计是《模拟电子技术》学习和教学中最重要和最困难的章节. 以二阶有源滤波器电路为例，引入Pspice电路分析软件进行模拟，给出了相应的仿真波形和仿真结果。将Pspice应用到模拟电子技术课程教学中，有助于学生对理论知识的理解，有利于培养学生综合分析能力，设计能力，切实提高了模拟电子技术课程的教学效果。
[关键词]有源滤波器 PspiceE仿真 模拟电子技术
一、引言
《模拟电子技术》是电气类、电子类、自动化类、计算机类和其它相近专业通用的技术基础课程，是一门针对性、实用性、适应性很强的专业课程，它是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科，它包括理论教学和实践教学环节。在理论教学中，由于它涉及的知识面广、内容多、更新快、抽象性强，因此，理论教学具有一定难度和复杂性，由此被称为“魔电”。而有源滤波器电路又是模拟电子技术学习中最困难的章节。
Pspice是一种以计算机为基本工作平台的经典电路模拟分析工具，它具有直流分析，交流小信号分析，瞬时分析等功能。它作为一种新的辅助教学手段，将一些内容较难，用语言文字不易表达或不易理解的抽象，复杂的变化过程，通过仿真实例生动直观地演示出来，以弥补理论教学和实物实验的不足。因此将Pspice应用于课堂教学，可以有针对性的克服上述教学困难，使理论内容形象化，使课堂教学更加生动，直观，易理解，大大消除学生的抽象枯燥感，提高学习兴趣，这对于提高教学效果以及拓宽和加强教学内容起到推进作用。
二、二阶滤波器的实现
二阶滤波器的传输函数的基本形式可写为
(1)
适当选择系数bi(i=0,1,2)，H(s)可以表示各种类型二阶滤波器的传输函数，即低通(b2=b1=0)、高通(b1=b0=0)、带通(b2=b0=0)、带阻(b1=0)和全通(b2=1,b1=-a1,b0=ao)。其传输函数还可以表示为
(2)
其中ωz、ωP、Qz和QP分别表示为零点频率、极点频率、零点Q值和极点Q值。根据信号流图的梅森规则，转移函数式（1）所对应的信号流图如下图1所示。
图1:二阶滤波器的信号流图
运算放大器具有输入阻抗高，输出阻抗低，高的开环增益和良好的稳定性及所用外部元件少等优点，可作为构成有源滤波器的核心元件，是实现滤波性能的重要因素。
三、设计实例
现以二阶有源滤波器的设计为例，介绍PSPICE在《模拟电子技术基础》课程教学过程中的辅助应用。二阶有源低通，高通，带通滤波器如图（2）所示。
图2：二阶低通、高通、带通滤波器
根据运算放大器的传输特性，可求出三种滤波器的传输函数
有源低通滤波器：
（3）
若R1=R2=R=2.2k，C2=2C1=2C=200nF，则
有源高通滤波器：
（4）
若R2=2R4=2R=4.4K,C1=C2=C=100nF,则
有源带带通滤波器：
（5）
若C2=C5=C=100nF,R1=R4=R=7kΩ,R3= R1=2kΩ，则
用Pspice软件仿真一个电路首先要按照软件的格式要求编写一个电路分析的输入文件。其输入文件包括下列内容：1）电路的结构参数描述，各元件的连接点与元件参数值；各电源的连接点及特性参数，这里包括交流激励与运算放大器的直流电源；运算放大器是uA741。总之，元件描述语句指定了电路的拓扑关系和元件值。PSPICE软件提供了子电路描述与元件模型参数库功能。2）电路的分析控制描述，利用PSPICE软件包对电路进行直流、交流、瞬态等多种分析。
Pspice具有很强的图形显示功能，把输出结果以曲线形式直观地呈现给使用者，图形处理是由PROBE.EXE来完成的。图3就是由PROBE功能得到的低通，高通，带通滤波器的频率特性曲线。从曲线可看出仿真结果与理论分析一致。
(a)低通滤波器的幅频特性
(b)高通滤波器的幅频特性
(c)带通滤波器的幅频特性
图3:低通、高通、带通滤波器的幅频特性
四、结论
通过PSPICE在模拟电子技术中有源滤波器设计中的“软教学”、“软实验”和“软设计”，可以使难以理解的复杂现象的变化过程通过Pspice的模拟随时用图形、曲线表示出来，解决了一些传统的教学方式所不易或不能实现的教学内容，加深了学生对电子线路本质的理解。通过模拟仿真与理论教学的联系，既可弥补出理论教学的不足，加强学生对电路的理解，又可以为学生提供充分发挥自主能动性的条件。这样不仅能提高教学质量，同时还能培养学生的创新思维能力，激发他们的学习兴趣，极大的提高了教学效果。
（作者单位：1.长沙理工大学电气与信息工程学院 湖南长沙,2.长沙学院电子与通信工程系 湖南长沙）
[关键词]有源滤波器 PspiceE仿真 模拟电子技术
一、引言
《模拟电子技术》是电气类、电子类、自动化类、计算机类和其它相近专业通用的技术基础课程，是一门针对性、实用性、适应性很强的专业课程，它是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科，它包括理论教学和实践教学环节。在理论教学中，由于它涉及的知识面广、内容多、更新快、抽象性强，因此，理论教学具有一定难度和复杂性，由此被称为“魔电”。而有源滤波器电路又是模拟电子技术学习中最困难的章节。
Pspice是一种以计算机为基本工作平台的经典电路模拟分析工具，它具有直流分析，交流小信号分析，瞬时分析等功能。它作为一种新的辅助教学手段，将一些内容较难，用语言文字不易表达或不易理解的抽象，复杂的变化过程，通过仿真实例生动直观地演示出来，以弥补理论教学和实物实验的不足。因此将Pspice应用于课堂教学，可以有针对性的克服上述教学困难，使理论内容形象化，使课堂教学更加生动，直观，易理解，大大消除学生的抽象枯燥感，提高学习兴趣，这对于提高教学效果以及拓宽和加强教学内容起到推进作用。
二、二阶滤波器的实现
二阶滤波器的传输函数的基本形式可写为
(1)
适当选择系数bi(i=0,1,2)，H(s)可以表示各种类型二阶滤波器的传输函数，即低通(b2=b1=0)、高通(b1=b0=0)、带通(b2=b0=0)、带阻(b1=0)和全通(b2=1,b1=-a1,b0=ao)。其传输函数还可以表示为
(2)
其中ωz、ωP、Qz和QP分别表示为零点频率、极点频率、零点Q值和极点Q值。根据信号流图的梅森规则，转移函数式（1）所对应的信号流图如下图1所示。
图1:二阶滤波器的信号流图
运算放大器具有输入阻抗高，输出阻抗低，高的开环增益和良好的稳定性及所用外部元件少等优点，可作为构成有源滤波器的核心元件，是实现滤波性能的重要因素。
三、设计实例
现以二阶有源滤波器的设计为例，介绍PSPICE在《模拟电子技术基础》课程教学过程中的辅助应用。二阶有源低通，高通，带通滤波器如图（2）所示。
图2：二阶低通、高通、带通滤波器
根据运算放大器的传输特性，可求出三种滤波器的传输函数
有源低通滤波器：
（3）
若R1=R2=R=2.2k，C2=2C1=2C=200nF，则
有源高通滤波器：
（4）
若R2=2R4=2R=4.4K,C1=C2=C=100nF,则
有源带带通滤波器：
（5）
若C2=C5=C=100nF,R1=R4=R=7kΩ,R3= R1=2kΩ，则
用Pspice软件仿真一个电路首先要按照软件的格式要求编写一个电路分析的输入文件。其输入文件包括下列内容：1）电路的结构参数描述，各元件的连接点与元件参数值；各电源的连接点及特性参数，这里包括交流激励与运算放大器的直流电源；运算放大器是uA741。总之，元件描述语句指定了电路的拓扑关系和元件值。PSPICE软件提供了子电路描述与元件模型参数库功能。2）电路的分析控制描述，利用PSPICE软件包对电路进行直流、交流、瞬态等多种分析。
Pspice具有很强的图形显示功能，把输出结果以曲线形式直观地呈现给使用者，图形处理是由PROBE.EXE来完成的。图3就是由PROBE功能得到的低通，高通，带通滤波器的频率特性曲线。从曲线可看出仿真结果与理论分析一致。
(a)低通滤波器的幅频特性
(b)高通滤波器的幅频特性
(c)带通滤波器的幅频特性
图3:低通、高通、带通滤波器的幅频特性
四、结论
通过PSPICE在模拟电子技术中有源滤波器设计中的“软教学”、“软实验”和“软设计”，可以使难以理解的复杂现象的变化过程通过Pspice的模拟随时用图形、曲线表示出来，解决了一些传统的教学方式所不易或不能实现的教学内容，加深了学生对电子线路本质的理解。通过模拟仿真与理论教学的联系，既可弥补出理论教学的不足，加强学生对电路的理解，又可以为学生提供充分发挥自主能动性的条件。这样不仅能提高教学质量，同时还能培养学生的创新思维能力，激发他们的学习兴趣，极大的提高了教学效果。
（作者单位：1.长沙理工大学电气与信息工程学院 湖南长沙,2.长沙学院电子与通信工程系 湖南长沙）