【導讀】fangzhenyichengweishejiguochengzhongbibukeshaodejieduan，yinweitayunxugongchengshizaiyuanxingshejizhiqianpingguheyanzhengdianluxingwei，fangzhishejiquexianzaishejilianzhongjilian，bingbangzhushejirenyuanzaixunihuanjingzhongwufengxianditigaodianluxingneng。

fangzhenyichengweishejiguochengzhongbibukeshaodejieduan
，yinweitayunxugongchengshizaiyuanxingshejizhiqianpingguheyanzhengdianluxingwei，fangzhishejiquexianzaishejilianzhongjilian，bingbangzhushejirenyuanzaixunihuanjingzhongwufengxianditigaodianluxingneng。

還有什麼比讓電路板車間踢回一個錯誤百出的設計更令人沮喪的嗎？如今，許多設計師都麵臨著在幾周（如果不是幾天）內生產原型的壓力，而且設計迭代的餘地有限。幸運的是
，最新的設計工具通過提供整體直觀的電路設計和驗證方法提高了生產率。

許多半導體製造商提供工具
，以幫助在初始規格階段設計穩健的係統模塊。例如，ADI公司（ADI）提供在線濾波器設計工具（參見參考文獻1），可指導用戶完成有源濾波器合成過程，並根據這些規格選擇推薦的運算放大器。然後，該工具生成最終設計拓撲，以及物料清單和SPICE網表。在原型製作之前的各個階段，仿真環境（例如NI的仿真環境）使用指定零件的宏模型提供進一步的優化和驗證（參見參考文獻2）。

在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)，我(wo)們(men)將(jiang)探(tan)討(tao)這(zhe)種(zhong)整(zheng)體(ti)方(fang)法(fa)如(ru)何(he)加(jia)快(kuai)和(he)改(gai)進(jin)濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)計(ji)中(zhong)通(tong)常(chang)令(ling)人(ren)生(sheng)畏(wei)的(de)任(ren)務(wu)
，濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)計(ji)是(shi)一(yi)係(xi)列(lie)電(dian)子(zi)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)常(chang)見(jian)構(gou)建(jian)模(mo)塊(kuai)。但(dan)首(shou)先(xian)，一(yi)些(xie)背(bei)景(jing)。

SIM卡基礎知識

最流行的模擬電路仿真工具是SPICE
，它代表以集成電路為重點的仿真程序。SPICE的曆史可以追溯到1960年代後期，當時它是在加州大學伯克利分校開發的。SPICE發展成為模擬電路仿真的行業標準，並且仍然是世界上使用最廣泛的電路仿真器。多年來，增加了更多的仿真算法、組件模型和擴展。例如，在佐治亞理工學院開發的XSPICE允許對組件進行行為建模，以加快混合模式和數字仿真的速度。NI 多 SIM 卡?環境支持SPICE 3F5和XSPICE模擬。

但dan是shi，設she計ji師shi為wei什shen麼me要yao為wei仿fang真zhen而er煩fan惱nao呢ne

？仿fang真zhen已yi成cheng為wei設she計ji過guo程cheng中zhong必bi不bu可ke少shao的de階jie段duan，因yin為wei它ta允yun許xu工gong程cheng師shi在zai原yuan型xing設she計ji之zhi前qian評ping估gu和he驗yan證zheng電dian路lu行xing為wei。仿fang真zhen可ke防fang止zhi設she計ji缺que陷xian通tong過guo設she計ji鏈lian級ji聯lian到dao製zhi造zao電dian路lu板ban，在zai製zhi造zao電dian路lu板ban中zhong
，重zhong新xin設she計ji的de成cheng本ben呈cheng指zhi數shu級ji增zeng長chang。此ci外wai
，通tong過guo探tan索suo一yi係xi列lie假jia設she場chang景jing，設she計ji人ren員yuan可ke以yi在zai虛xu擬ni環huan境jing中zhong無wu風feng險xian地di提ti高gao電dian路lu的de性xing能neng。

使用電路仿真器的主要好處之一是能夠仿真模擬真實

、可訂購零件的宏模型。現代SPICE模擬器也越來越多地采用圖形化的方法來處理傳統上基於文本的過程。例如， NI Multisim 集成了 17，500 多個 組 件
， 其中 許多 宏模型 來自 領先 半導體 製造 商;捕獲電路時會自動生成基於文本的 SPICE 網表
，示波器或函數發生器等交互式測量儀器具有模擬真實台式對應物的顯示和功能。借助這些圖形擴展，設計人員不再需要具備 SPICE 語法方麵的專業知識即可充分利用仿真的優勢。

仿真和濾波器設計

濾波器無處不在——從cong超chao聲sheng設she備bei到dao起qi搏bo器qi，在zai這zhe些xie地di方fang
，隻zhi有you特te定ding範fan圍wei的de頻pin率lv才cai能neng通tong過guo至zhi關guan重zhong要yao。然ran而er，雖sui然ran濾lv波bo器qi是shi電dian子zi應ying用yong中zhong無wu處chu不bu在zai的de構gou建jian塊kuai，但dan濾lv波bo器qi設she計ji卻que鮮xian為wei人ren知zhi，而er且qie往wang往wang很hen痛tong苦ku。是shi什shen麼me讓rang它ta如ru此ci複fu雜za？通tong常chang
，係xi統tong設she計ji人ren員yuan並bing不bu十shi分fen了le解jie特te定ding性xing能neng所suo需xu的de濾lv波bo器qi階jie數shu，因yin為wei其qi優you勢shi不bu是shi模mo擬ni電dian路lu設she計ji。

濾波器類型（例如，巴特沃斯、切比雪夫和橢圓）有(you)許(xu)多(duo)變(bian)體(ti)
，它(ta)們(men)針(zhen)對(dui)各(ge)種(zhong)規(gui)格(ge)進(jin)行(xing)了(le)優(you)化(hua)，例(li)如(ru)單(dan)調(tiao)紋(wen)波(bo)或(huo)過(guo)渡(du)區(qu)域(yu)寬(kuan)度(du)。濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)計(ji)還(hai)涉(she)及(ji)編(bian)寫(xie)複(fu)雜(za)的(de)數(shu)學(xue)方(fang)程(cheng)，用(yong)於(yu)識(shi)別(bie)改(gai)變(bian)濾(lv)波(bo)器(qi)形(xing)狀(zhuang)的(de)極(ji)點(dian)/零點位置（參見參考文獻3）。另一個問題是
，在理論計算中假設的完美分量不存在;例如

，電阻器的製造容差會影響預期的電路行為。

濾(lv)波(bo)器(qi)向(xiang)導(dao)等(deng)設(she)計(ji)工(gong)具(ju)可(ke)幫(bang)助(zhu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)了(le)解(jie)不(bu)同(tong)拓(tuo)撲(pu)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)異(yi)，並(bing)建(jian)議(yi)在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)零(ling)件(jian)，從(cong)而(er)大(da)大(da)簡(jian)化(hua)了(le)這(zhe)項(xiang)複(fu)雜(za)的(de)任(ren)務(wu)，而(er)無(wu)需(xu)複(fu)雜(za)的(de)數(shu)學(xue)運(yun)算(suan)。圖(tu)形(xing)環(huan)境(jing)使(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)觀(guan)察(cha)其(qi)電(dian)路(lu)在(zai)各(ge)種(zhong)元(yuan)件(jian)容(rong)差(cha)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)。

驗證巴特沃茲濾波器的設計

在我們的示例中
，我們驗證了有源濾波器的設計。該濾波器采用ADI濾波器向導設計，集成了雙通道精密運算放大器ADA4000-2
，該gai運yun算suan放fang大da器qi因yin其qi快kuai速su壓ya擺bai率lv和he容rong性xing負fu載zai穩wen定ding性xing而er被bei選xuan中zhong
，非fei常chang適shi合he濾lv波bo器qi設she計ji。該gai運yun算suan放fang大da器qi的de皮pi安an偏pian置zhi電dian流liu允yun許xu使shi用yong高gao阻zu值zhi電dian阻zu來lai構gou建jian低di頻pin濾lv波bo器qi
，而er無wu需xu擔dan心xin增zeng加jia直zhi流liu誤wu差cha。此ci外wai，用yong於yuR1的高值最大限度地減少了與信號源電阻的相互作用。通過級聯更多塊可以實現更高階濾波器;然而，對分量值的敏感性以及分量之間相互作用對頻率響應的影響急劇增加，使得這些選擇的吸引力降低。信號相位通過濾波器保持（同相配置）。

在NI Multisim中捕獲濾波器，用於驗證和進一步分析（見圖1）。這款低通四階巴特沃茲濾波器采用20 kHz截止頻率和Sallen-Key實(shi)現(xian)設(she)計(ji)
，因(yin)為(wei)它(ta)易(yi)於(yu)設(she)計(ji)

，具(ju)有(you)最(zui)大(da)的(de)平(ping)坦(tan)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)和(he)最(zui)小(xiao)的(de)元(yuan)件(jian)要(yao)求(qiu)。巴(ba)特(te)沃(wo)茲(zi)濾(lv)波(bo)器(qi)在(zai)通(tong)帶(dai)和(he)阻(zu)帶(dai)上(shang)是(shi)單(dan)調(tiao)的(de)
，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)最(zui)佳(jia)的(de)通(tong)帶(dai)紋(wen)波(bo)和(he)寬(kuan)過(guo)渡(du)區(qu)域(yu)（即通帶和阻帶之間的區域）。它們經常用作數據采集係統中的抗混疊濾波器。EVAL-FLTR-SO-1RZ和EVAL-FLTR-LD-1RZ濾波板采用兩極點版本的Sallen-Key濾波器拓撲，可從ADI訂購。該板的應用筆記為AN-0991。

圖1.20 kHz 巴特沃茲 濾波器 采用 NI 多 SIM 程序

在設計濾波器時
，必須同時考慮電路的頻域和時域響應。我們 來 研究 如何 使用 NI Multisim 來驗證 這些 特性。

驗證頻率響應

圖 2 顯示了交流分析的結果。仿真結果表明
，截止頻率（增益下降3 dB時的頻率）為20.1 kHz，與我們設定的20 kHz規格非常接近。我們可以看到
，超過這個轉折頻率，增益以每十倍頻程80 dB下降（濾波器傳遞函數中每個極點的?20dB/dec或?6dB/oct）。

圖2.巴特沃茲濾波器的頻率響應

我們還觀察到，阻帶不會像我們對理想濾波器所期望的那樣持續減小;由於運算放大器電壓增益的損耗，增益在大約1 MHz時開始增加。使用光標
，我們估計該阻帶約為700 kHz。

驗證時域響應

我們可以使用Multisim中zhong提ti供gong的de測ce量liang儀yi器qi來lai研yan究jiu階jie躍yue響xiang應ying。函han數shu發fa生sheng器qi允yun許xu我wo們men輸shu入ru激ji勵li，示shi波bo器qi允yun許xu我wo們men直zhi接jie在zai原yuan理li圖tu環huan境jing中zhong觀guan察cha輸shu出chu波bo形xing。這zhe些xie測ce量liang儀yi器qi模mo仿fang其qi台tai式shi對dui應ying物wu;例(li)如(ru)
，使(shi)用(yong)示(shi)波(bo)器(qi)，可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)波(bo)形(xing)特(te)性(xing)調(tiao)整(zheng)時(shi)基(ji)和(he)分(fen)壓(ya)等(deng)參(can)數(shu)。使(shi)用(yong)測(ce)量(liang)儀(yi)器(qi)，我(wo)們(men)還(hai)可(ke)以(yi)實(shi)時(shi)更(geng)改(gai)設(she)置(zhi)，例(li)如(ru)函(han)數(shu)發(fa)生(sheng)器(qi)設(she)置(zhi)的(de)頻(pin)率(lv)，這(zhe)使(shi)我(wo)們(men)能(neng)夠(gou)看(kan)到(dao)信(xin)號(hao)在(zai)超(chao)過(guo) 20 kHz 點的頻率下衰減了多少。

我們可以使用示波器測量上升時間和建立時間等特性
，如圖3所示;但是
，我們也可以在 Grapher 中查看這些數據，該選項允許我們注釋和打印圖表以進行記錄。

圖3.使用虛擬儀器研究時域響應

我們研究的第一個特征是上升時間（定義為從其最終輸出值的10%到90%的時間）;使用光標，我們確定這是19.3 μs。我們還看到建立時間約為92 μs。這些特性在圖 4 所示的圖表上進行了注釋。（請注意，參數 TMAX 會影響上升時間
，並且出於此示例的目的已從默認值更改。

圖4.使用繪圖器記錄時域特征

考慮最壞情況

仿真的另一個核心優勢是能夠考慮非理想組件值（即公差）。在本節中，我們執行蒙特卡羅分析，該分析使用我們在原理圖中定義的 5% 元件公差範圍內的元件值排列運行多個交流分析;這使我們能夠看到在最壞的情況下我們的截止頻率是如何受到影響的。（請注意，此分析也可以用於瞬態或直流工作點分析）。

假設條件理想
，第一次運行是標稱運行。我們的分析輸出迭代了電路的200種排列，如圖5所示。觀察到第 171 次運行（底部跡線）和第二次運行（底部跡線）定義了截止頻率分別為 20.67 kHz 和 19.02 kHz 的最壞情況。截止頻率的這種偏差使得該濾波器設計對元件方差的敏感性較低。

圖5.蒙特卡羅模擬結果

正(zheng)如(ru)我(wo)們(men)所(suo)看(kan)到(dao)的(de)，有(you)些(xie)測(ce)量(liang)比(bi)其(qi)他(ta)測(ce)量(liang)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)的(de)後(hou)處(chu)理(li)。例(li)如(ru)，計(ji)算(suan)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)等(deng)任(ren)務(wu)如(ru)果(guo)重(zhong)複(fu)完(wan)成(cheng)，可(ke)能(neng)會(hui)變(bian)得(de)乏(fa)味(wei)。幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)
，也(ye)有(you)可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)的(de)工(gong)具(ju)。NI LabVIEW?是一種圖形編程語言
，允許我們創建自定義界麵，用於在Multisim中可視化和分析測量值。該儀器根據濾波器設計的輸入和輸出波形自動計算濾波器設計的上升時間
、斜率、過衝和下衝。通過創建 自 定義 儀器， 設計 人員 可以 自動 顯示 傳統 上 需要 手動 後 處理 的 特性 的 準確 值。定製 儀器 可 用於 廣泛 的 應用， 包括 將真實 采集 的 測量 結果 導入 到 NI Multisim 中
， 這些 測量 值 結合 了 真實 世界 的 影響
，如 噪聲
， 從而 實現 更高 的 仿真 精度。

結論

今天的係統設計人員不能使用未經驗證的想法來運行。借助ADI濾波 向導、 已經構建和驗證的電路和NI Multisim等現代設計工具， 他們 就jiu不bu必bi這zhe樣yang做zuo。工gong程cheng師shi可ke以yi在zai原yuan型xing設she計ji階jie段duan之zhi前qian很hen久jiu就jiu驗yan證zheng和he改gai進jin電dian路lu行xing為wei
，從cong而er大da大da提ti高gao設she計ji效xiao率lv。其qi結jie果guo是shi減jian少shao了le成cheng本ben高gao昂ang的de重zhong新xin設she計ji，縮suo短duan了le上shang市shi時shi間jian，並bing提ti高gao了le設she計ji性xing能neng。

（作者：Reza Moghimi）

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