OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Рис. 5.32. Активный резонансный полосовой фильтр с добротностью Q = 2

Центральная частота принимается равной частоте резонанса LС-контура:

Добротность Q определяется по формуле Q=ω₀L/R. В таком фильтре В=f₀/Q=R/2πL. Например, выберем добротность Q=2, f₀=11 кГц и R=10 кОм. При этом L=0,289 Гн и С=0,724 нФ. В завершение выберем R₁=10 кОм, чтобы обеспечить необходимое значение A_v этого неинвертирующего усилителя. Входной файл:

Active Resonant Band-Pass Filter

vs1 о AC 1mv

R 3 0 10k

R1 4 0 10k

R2 5 4 10k

L 1 2 0.289H

С 2 3 0.724nF

X 4 3 5 iop

.AC DEC 40 1kHz 100kHz

.PROBE

.subckt iop m p vo

e vo 0 p m 2e5

rin m p 1meg

.ends

.END

Проведите анализ и получите график отношения выходного напряжения к входному (V(5)/V(1)) в логарифмическом масштабе. Проверьте центральную частоту и ширину полосы частот. Значения частот спада на 3 дБ составляют f=8,6 кГц и f=14,1 кГц, что обеспечивает полосу пропускания В=5,5 кГц. При этом центральная частота оказывается равной приблизительно 11,2 кГц.  

Получим также график VP(5), чтобы наблюдать, как фазовый угол изменяется вблизи резонансной частоты. Он равен нулю при f=11 кГц. Интересно сравнить две схемы этого типа, которые имеют различные значения добротности. Мы получили результаты при добротности Q=2, а теперь исследуем другую схему при Q=5. На рис. 5.33 показана соответствующая схема. Ширина полосы частот В=2,2 кГц, и сохраняя значение R=10 кОм, получим L=0,723 Гн и С=0,289 нФ.

Рис. 5.33. Схема дополнения, позволяющая исследовать полосовой фильтр с добротностью Q = 5

Узлы пронумерованы таким образом, чтобы схемой можно было дополнить первоначальный входной файл. Это позволит нам получить АЧХ для обеих схем на одном графике. Добавьте следующие команды к предыдущему входному файлу:

VS1 6 0 AC 1mV

R11 8 0 10k

R3 9 0 10k

R4 10 9 10k

L1 6 7 0.723Н

C1 7 8 0.289nF

X1 9 8 10 iop

Выполните анализ и получите в одном окне графики

20·lg(V(5)/V(1)),

и

20·lg(V(10)/V(6)).

Посмотрите влияние добротности на форму графиков при Q=5 и Q=2. С помощью курсора проверьте ширину полосы частот при Q=5. Она должна быть почти точно В=2,2 кГц. Эти кривые показаны на рис. 5.34.

Рис. 5.34. Графики Боде для сравнения АЧХ при добротностях Q = 2 и Q = 5 

Получите другой график, используя VP(5) для одной кривой и VP(10) для другой. Это покажет сравнение сдвигов фазы для двух случаев. Сравните результат с полученным на рис. 5.35.

Рис. 5.35. Графики Боде для сравнения фазочастотных характеристик при добротностях Q = 2 и Q = 5

Активный RC полосовой фильтр

Использование катушки индуктивности в полосовом фильтре не всегда желательно, тем более что в некоторых случаях значение индуктивности очень велико. На рис. 5.36 представлена схема, в которой для обеспечения заданной полосы пропускания используются только конденсаторы и резисторы.

Рис. 5.36. Активный полосовой RC-фильтр

Для определения параметров элементов можно использовать следующие формулы:

Для примера мы выберем A₀=50, f₀=160 Гц и В=16 Гц. Для удобства примем С₁=С₂=0,1 мкФ. Выражение для добротности Q=f₀/B. Теперь найдите R₁, R₂ и R₃. Сравните ваши ответы с приведенными в последующих результатах анализа на PSpice. Обратите внимание, что значения сопротивления были немного округлены. Входной файл:

Active RC Band-Pass Filter

VS1 6 0 an 1mv

R1 1 2 2k

R2 2 0 667

R3 4 3 200k

C1 2 4 0.1uF

C2 2 3 0.1uF

X 3 0 4 iop

.AC DEC 100 1 1Mz

.PROBE

.subckt iop m p vo

e vo 0 p m 2e5

rin m p 1meg

.ends

Проведите анализ и получите график V(4)/V(1), показывающий А₀=50 при f₀=158 Гц. Удалите этот график и постройте новый в логарифмическом масштабе, чтобы найти полосу пропускания. Убедитесь, что f₁=151 Гц и f₂=167 Гц, что дает B=16 Гц. На рис. 5.37 показан результат с курсором в одной из точек, соответствующих снижению на 3 дБ.

Рис. 5.37. Характеристика Боде для схемы на рис. 5.36

Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

Х[name] []*

Например, запись

XI 9 8 10 iop

указывает, что подсхема подключена в узлах 9, 8 и 10 к основной схеме. Имя подсхемы — iop. Входной файл содержит описание подсхемы. Он мог бы иметь, например, такой вид: