基于OrCAD16_3的有源滤波器优化设计

JournalofNanyangNormalUniversityVo.l10No󰀁3Mar.2011

基于OrCAD16.3的有源滤波器优化设计

李华洋

(南阳师范学院物理与电子工程学院,河南南阳473061)

󰀁󰀁摘󰀁要:在电路的设计中参数的优化非常重要.利用OrCAD16.3软件对一个带通滤波器进行了参数优化设计,并得到了满足要求的交流特性函数值和交流特性曲线.介绍了Optimizer有关功能的使用方法与使用中的一些经验.

关键词:多目标优化设计;OrCAD;有源滤波器

中图分类号:TN911.71󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1671-6132(2011)03-0033-04

󰀁󰀁在电子电路的设计过程中,为了使电路的某些

目标参数(如滤波器带宽和中心频率)满足苛刻的要求,需要对电路中的电阻、电容等参数的值进行精心选择,使得一个或者多个目标参数都能够满足设计要求,这个过程称为电路的优化设计.EDA软件常用的参数扫描工具无法满足优化设计的要求,一方面电路的元器件参数非常多,各个参数对于目标函数的影响大小不同;另一方面每个参数与目标函数之间往往存在复杂的非线性关系,因此即使只有一个目标函数,人工也难以确定参数扫描的起止数值和步长,即使对各个参数采用非常大的扫描数据量和扫描次数,也难以得到理想的设计结果.所以必须借助计算机强大的分析与计算能力,利用专门的数学分析与计算工具Optimizer

[1]

对电路进行优化设计.

(MLSQ:ModifiedLeastSquaresQuadratic)、最小二乘法(LSQ:LeastSquaresQuadratic)以及随机引擎(Randomengine)和离散引擎(Discreteengine)

[2]

.

最小二乘法引擎的优化思路是找最小的整体误差,做电路的最佳化分析;

改进的最小二乘法引擎:用在目标函数及Constraint的最佳化分析里,用较少的仿真模拟去做电路的最佳化分析;

随机引擎:随机取样参数的集合,并做多次的仿真来对电路做最佳化分析;

离散引擎:通常在利用其他引擎进行优化设计以后,再启动离散引擎,使用由高级分析提供的(例如:电阻Resistor-5%)或是用户自定的元器件参数表格,让Parameter选定与优化结果要求最接近的商品化元器件系列标称值.

对于实际电路的优化设计,一般使用默认的引擎就可以得到满意结果.如果得到的优化结果不能满足要求,也可以根据电路的复杂程度,分别选择这些引擎进行优化设计,比较得到的结果,选择合适的优化引擎,最后使用离散引擎找到与优化结果要求最接近的商品化元器件系列标称值

[3]

1󰀁优化设计引擎

Optimizer工具采用多种优化计算与分析程序(又称优化引擎)来一步一步地修改电路器件参数值,使每一步得到的电路目标参数值逐步接近优化设计所要求的值.

1.1󰀁单目标优化

Optimizer对单目标优化可以在󰀁Optimizer󰀁工具窗口执行󰀁Edit\\ProfileSettings󰀁子命令,显示与优化引擎相关的参数设置,通过OneGoal栏选择算法,点击󰀁Minimize󰀁选择导数法,或点击󰀁LeastSquares󰀁选择最小二乘法.1.2󰀁多目标优化

对于多目标函数的优化设计,OrCAD软件提供了4种优化引擎,分别是改进的最小二乘法

收稿日期:2010-12-01

.

这里以有源带通滤波器为例来说明利用最新

版本的OrCAD16.3软件的优化设计模块Optimizer进行优化设计的过程.

2󰀁优化设计的过程

2.1󰀁标准优化过程

优化前的电路如图1所示.

对该电路进行交流分析ACSweep,然后进行电路性能分析(如图2所示),得到3分贝带宽band󰀁

作者简介:李华洋(1975-),河南南阳人,讲师,主要从事光学方面的研究.

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南阳师范学院学报󰀁第10卷󰀁

with(V(out),3)的数值是508k,3分贝中心频率centerfrequency(V(out),3)的数值是348k.这也是

优化设计的初始值.如图3所示.

󰀁󰀁建议优化之前先进行灵敏度分析,分析结果如图4所示.找到对电路输出特性影响最大的几个参数,在灵敏度分析窗口选中这些参数然后点右键选

择󰀁sendtoOptimizer󰀁,直接把灵敏度分析的结果发送给优化设计模块Optimizer.

图4󰀁灵敏度分析结果

󰀁󰀁几个参数影响由大到小的顺序是C1,R1,R3,R4,R5C2,R2.

要求上面两个特征值从508k/348k优化到200k~280k/180k~200k的最小󰀁最大值区间.选择Standard进行标准优化,仅进行2次优化就达到优化目标区域,优化过程如图5所示.实际得到的两个数值是266k/184k,如图6所示.

图5󰀁优化过程的误差图

图6󰀁优化完成以后得到的两个特性函数值

󰀁󰀁优化以后的各个电阻、电容参数分别是:C1=1󰀁7112nF,R1=1󰀁0075k,R3=473󰀁3524k,R4=

1󰀁7366k,R5=930󰀁077k,C2=1󰀁0001pF,R2=1󰀁0016k.

󰀁第3期李华洋:基于OrCAD16.3的有源滤波器优化设计󰀁35󰀁

2.2󰀁离散引擎优化

上面优化得到的数值其实并不是市场可以买

到的商品电阻、电容元件的实际值.

选择离散引擎进行优化可以得到商品化元器件参数值.当然也可以使用近似的商品化元器件参数值,不过需要在修改电路各参数数值以后重新分析一下看看优化以后的电路特性参数是否满足要求

[2]

.

在使用前面三种优化引擎中的一种进行优化以后,在Optimizer窗口中点击󰀁edit󰀁菜单,点击󰀁profilesettings󰀁在󰀁engine󰀁栏选择󰀁discrete󰀁,然后进行进一步的优化,得到符合商品化数值的电阻、电容参数数值.C1=1󰀁8nF,R1=1k,R3=470,R4=1󰀁8k,R5=910,C2=1pF,R2=1k.

图7󰀁优化以前电路DB(V(out))和P(V(out))的波形

3󰀁采用曲线拟合方法对电路进行优化设计

很多情况下不但电路性能参数数值需要满足要求,电路的某些参数曲线也需要通过优化来满足特定形状的要求,这个过程称为曲线拟合.优化设计模块Optimizer提供了曲线拟合的功能.

在优化设计窗口里点击󰀁CurveFit󰀁进入表格区,通过曲线扫描的方式优化指标,运用曲线拟合的方法,采用曲线的一组数据值,使优化设计结果与目标曲线要求相吻合.在此过程中还可以在Probe窗口中动态显示出每一次优化得到的波形向作为优化目标的参考波形逼近的情况.下面是采用曲线拟合方法对电路进行优化设计的过程,优化对象是函数DB(V(out))和P(V(out)).

先选用一个标准的DB(V(out))和P(V(out))曲线,然后选中曲线拟合选项󰀁CurveFit󰀁.

优化之前的电路各个参数数值分别是:C1=1N,C2=1P,R1=R2=10k,R3=R4=R5=1k,优化以前电路DB(V(out))和P(V(out))的波形为图7所示.

[2]

󰀁󰀁优化以后DB(V(out))和P(V(out))需要达

到的目标曲线为图8所示.

图8󰀁优化以后DB(V(out))和P(V(out))

需要达到的目标波形

󰀁󰀁选定两个目标曲线所在文本文件名字和曲线名字,分别填入ReferenceFile和Waveform栏,如图9所示.

图9󰀁选定目标曲线的文本文件

󰀁󰀁点击󰀁运行󰀁,进行9次优化即达目标,优化过程如图10所示.

󰀁󰀁曲线拟合优化以后的各个参数值为下面图11中Current一栏所示.

图10󰀁曲线拟合优化过程的误差图图11󰀁曲线拟合优化以后的各个参数值

󰀁36󰀁

南阳师范学院学报󰀁第10卷󰀁

[4]

󰀁󰀁在曲线拟合优化过程中,Probe窗口动态显示每次优化得到的DB(V(out))和P(out)的波形曲

线与目标曲线的对比图.下面图12为第9次优

化得到的波形曲线对比图:

图12󰀁第9次优化得到的波形曲线对比图

󰀁󰀁最后再次使用离散引擎进行优化,得到符合商品化数值的电阻电容参数数值.R1=10k,R2=3k,R3=820,R4=1.5k,R5=820,C1=100pF,C2=0󰀁3pF.

作为对比,我们利用AA高级分析工具先对电路进行灵敏度分析,找到对3分贝带宽影响最大的几个器件R3,R4,C1,R1,R5,然后使用参数测绘仪进行参数扫描分析.每个参数至少需要取10个数值,则总共需要进行10000次分析,但是OrCAD软件中理想参数测绘仪的最大一次扫描次数为500次,当超过500次时,在输出窗口会出现错误信息提示,分析也将停止.因此根本无法利用参数扫描的方法进行优化设计,更不能利用它进行曲线拟合

[5]

4󰀁结论

对于复杂的电路设计工作,由于元器件众多,特性函数数值要求很严格,无法利用手工计算或者参数扫描的方法得到符合要求的电路参数数值.电路EDA软件OrCAD提供的优化工具Optimizer很好地解决了这个问题,使得设计人员只需要正确设置优化选项就能够得到满意的优化结果,从而极大地提高电路设计的效率与电路的工作性能.

参󰀁考󰀁文󰀁献

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.

需要注意的是,设置的优化目标数值不能与原

始数值相差太大(相差100倍以上),否则电路元器件参数的变化范围太大可能超出规定的变化范围(原始数值的0.1~10倍),软件将报错并且停止优化进程.遇到这种情况可以分几步优化,让优化目标数值与初始值的差距设置得小一些,每步优化成功以后再以此为初始值进行下一步优化,这样就可以得到理想的优化结果.

(下转第50页)

󰀁50󰀁

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南阳师范学院学报󰀁

所,2008.

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Theeffectsofdifferenttreatmentonthegerminationofwildsoybeanseeds

ZHANGNai󰀁qun,LIZhen,WANGRun󰀁zhong

(SchoolofLifeSciencesandTechnology,NanyangNormalUniversity,Nanyang473061,China)

Abstract:Withthetwomethodsaboutsandgrindingtreatmentand98%sulfuricacidtodealwiththewildsoy󰀁beanseeds,thepaperresearchedtheimpactabouttheseeds󰀁germination.Theseedsweregrindedwithsandfor2minandincubatedat25󰀁for7days.Theexperimentalresultshowedthatthetreatmentcouldimprovethegerminationratesignificantly.Theseedsweretreatedwith98%concentratedsulfuricacidfor2min,4min,6min,8min,10min,20min,30min,40min,50min,60min,thenincubatedat25󰀁.Continuousobservationfor7days.Theresultshowedthattheseedgerminationratewasimprovedwhichunderthe50minofconcentrat󰀁edsulfuricacidtreatmen,tandreachedthe98%germinationrate.

Keywords:wildsoybean;concentratedsulfuricacid;grind;germinationrate;germinationindex(上接第36页)

OptimaldesignofactivefilterbasedonOrCAD16.3

LIHua󰀁yang

(SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,NanyangNormalUniversity,Nanyang473061,China)Abstract:Theoptimizingofparameterisveryimportantincircuitdesign.Thisarticleintroducesaoptimaldesig󰀁ningofanactiveband󰀁pass󰀁filterwithOrCAD16.3,andresultsinsatisfyingcharacteristicfunctionvalueandcharacteristiccurveofthecircuit.Themethodofoptimizingandthetechniqueofoptimizerisalsointroduced.Keywords:multiobjectiveoptimizationdesign;OrCAD;activefilter