二阶低通滤波器电路设计

目录摘要I1 理论学习 11.1 PROTEL DXP2004简介 11.2 使用 PROTEL 设计电路 21.3 滤波的概念 42 电路设计 53 电路仿真结果 63.1 仿真电路图 63.2 输入 Vi 和输出Vo 波形 63.3 幅频特性曲线 74 生成网络表 85 制作 PCB 105.1 调整 Room 区域 105.2 排列元器件 105.3 绘制电路板电气边界 105.4 PCB 成图 116 元器件清单 11心得体会 12参考文献 131 理论学习1.1 PROTEL DXP2004 简介Altium 公司作为 EDA 领域里的一个领先公司，在原来 Protel 99SE 的基础上， 应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于 Windows2000 和 Windows XP 操作 系统的EDA设计软件Pro tel DXP。Pro tel DXP在前版本的基础上增加了许多新的功 能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大 的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。 Protel DXP 是第一个将所有设计工具 集于一身的板级设计系统， 电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都 可以按照自己的设计方式实现。 Protel DXP 运行在优化的设计浏览器平台上，并且 具备当今所有先进的设计特点， 能够处理各种复杂的 PCB 设计过程。通过设计输入仿 真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Pro telDXP 提供了全面的设计解决方案。Protel DXP2004 是 Altium 公司于 2004 年推出的最新版本的电路设计软件，该 软件能实现从概念设计， 顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设 计数据的管理。当前比较流行的 Protel 98 、 Protel 99 SE ，就是它的前期版本。Pro tel DXP 2004已不是单纯的PCB （印制电路板）设计工具，而是由多个模块 组成的系统工具，分别是SCH （原理图）设计、SCH （原理图）仿真、PCB （印制电路 板）设计、Auto Router （自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个 物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和 PCB 图的双向同步技术、多通道设计、 拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。 与较早的版本 Protel99 相比， ProtelDXP2004 不仅在外观上显得更加豪华、人 性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，并提供对 Protel99se 下创建的 DDB 和 库文件导入功能， 还增加了 P-CAD,OrCAD PADS PCB 等软件的设计文件和库的导 入,AutoCAD和其它软件的文件导入和导出功能，同时整合了 VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。1.2 使用 PROTEL 设计电路一、新建设计数据库文件在WINDOWS双击Pro tel图标，点击File(文件)中new项，新建设计数据库。选 取需要存储的文件夹，然后点击 OK 即可建立自己的设计数据库。1、设计组( Design Team )先在 Design Team 中设定设计小组成员， Protel 可在一个设计组中进行协同设 计，所有设计数据库和设计组特性都由设计组控制。 定义组成员和设置他们的访问权 限都在设计管理器中进行，确定网络类型和网络专家独立性不需求助于网络管理员。2、回收站( Recycle Bin )相当于 Windows 中的回收站， 所有在设计数据库中删除的文件， 均保存在回收站 中，可以找回由于误造作而删除的文件3、设计管理器( document. )所有 Protel 设计文件都被储存在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综 合设计编辑窗口。在 Protel 中与设计的接口叫设计管理器。使用设计管理器，可以 进行对设计文件的管理编辑、 设置设计组的访问权限和监视对设计文件的访问。 在设 计数据库内组织按分层结构文件夹建立的文件显示在右边的个人安全系统设计数据 库有一文件夹叫设计文件，这个文件夹中是主设计文件(原理图和PCB)，还有许多的子文件夹，包括了 PCB 装配文件、报告和仿真分析。这里对在设计数据库中创建文件 夹的分层深度没有限制。设计数据库对存储 Protel 设计文件没有限制你能输入任何 类型的设计文件进入数据库，如在 MSWord 书写的报告、在 MSExcel 准备的费用清单 和 AutoCAD 中制的机械图。 简单双击设计数据库里的文件图标， 在适当的编辑器打开 文件，被更新的文件自动地保存到设计数据库。 MS Word 和 Excel 文件可以在设计管 理器中直接编辑。 设计管理器的心脏就是左边的导航面板。 面板显示的树状结构是大 家熟悉的 Protel 软件特性。在设计数据库中打开的各个文件用卡片分隔显示在同一 个设计编辑窗口，使得非常容易知道当前工作到哪里，特别在大的设计中。要一起观 察不同的文件可以将设计编辑窗口拆分为多区域。二、打开和管理设计数据库Pro tel包括许多设计例子，我们下面可以举例说明。选择文件打开菜单 Design ExplorerExamplefolder ，点击 photoplotter.ddb 文件，左侧窗口呈现树状结构。 点“”呈现下一层子目录或文件，点“”将关闭此文件夹点 Photohead.pcb 文件， PCB 版图将出现，点 Photohead.prj, 原理图管理文件将被打开关闭文件，可 以用鼠标右键，选择 Close. 也可以用 CTRL+F4 来关闭。三、观看多个设计文档打开 Photoplotte.ddb 设计数据库，点“”找到 Electronics 和 Photohead 文件夹，打开 Photohead Parts list 设计窗口，用同样方法打开 Photohead.pcb 文 件和 Photohead. prj 文件在 Photohead Parts List 窗口下击鼠标右键， 选择“ Split Horizontal ”菜单，界面将被水平分割。在 Photohead.prj 设计窗口下点右键，选 Split Vertical 菜单。界面将被垂直分割可以用鼠标调整分割窗口的大小。要想 分割更多的窗口，可重复上述操作。按 Ctrl+Tab 可循环切换打开的设计文件，按 Shift+Tab 可在导航板和设计窗口中有效文件夹的内容间切换。四、多图纸设计一个原理图设计有多种组织图纸方案的方法。 可以由单一图纸组成或由多张关联 的图纸组成，不必考虑图纸号，将每一个设计当作一个独立的方案。设计可以包括模 块化元件，这些模块化元件可以建立在独立的图纸上，然后与主图连接。作为独立的 维护模块允许几个工程师同时在同一方案中工作，模块也可被不同的方案重复使用。 便于设计者利用小尺寸的打印设备（如激光打印机）。下面举例说明：打开LCDController.ddb 设计文件，打开 LCD Controller.prj 原理图设计窗口。我们看到许 多绿色矩形框，叫做原理图模块，每一个原理图模块里包含一张图纸，一个总的原理 图可以包含多个子原理图。选择 Design 下的 Create Sheet From Symbols 由符号 生成图纸，如果已经画好原理图，选 Design下的Create Symbol Form Sheet由图 纸生成符号。利用工具条上的f（点取输入端口，可以在总的原理图与子原理图之间切换。五、原理图连线设计确定起始点和终止点， Protel 就会自动地在原理图上连线， 从菜单上选择 Place/Wire 后，按空格键切换连线方式，自动连线、任意角度、45连线、90连 线，使得设计者在设计时更加轻松自如。只要简单地定义 AutoWire 方式。自动连线 可以从原理图的任何一点进行，不一定要从管脚到管脚。1.3 滤波的概念滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。 经典滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数 学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。 换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的， 组成信号的不同频率 的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。 只允许一定频率范围内的信号成分正 常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路实际上，任何一个电子系统都具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制）， 频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。 而滤波器，则是根据电路参数对电路频 带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。用模拟电子电路对模拟信号进行滤波，其基本原理就是利用电路的频率特性实 现对信号中频率成分的选择。 根据频率滤波时， 是把信号看成是由不同频率正弦波叠 加而成的模拟信号，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做高通滤波器。 当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做低通滤波器。 当只允许信号中某个频率范围内的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做带通滤 波器。对于滤波器，增益幅度不为零的频率范围叫做通频带，简称通带，增益幅度为 零的频率范围叫做阻带。 通带所表示的是能够通过滤波器而不会产生衰减的信号频率 成分，阻带所表示的是被滤波器衰减掉的信号频率成分。通带内信号所获得的增益， 叫做通带增益，阻带中信号所得到的衰减，叫做阻带衰减。在工程实际中，一般使用 dB 作为滤波器的幅度增益单位。本次课设要设计的是低通滤波器，而低通滤波器的基本电路特点是，只允许低 于截止频率的信号通过。2 电路设计巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏， 而在阻频带则逐渐下降为零。 在振幅的对数对角频率的波得图上 ,从某一边界角频率 开始 ,振幅随着角频率的增加而逐步减少 ,趋向负无穷大。一阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频 6 分贝，每十倍频 20 分贝。二阶巴特沃 斯滤波器的衰减率为每倍频 12 分贝、 三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频 18 分 贝、如此类推。巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降， 并且也是唯一的无论阶数， 振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。 只不过滤波器阶数越高， 在阻频带振 幅衰减速度越快。其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同 的形状。因为本次设计的只是二阶的低通滤波，所以采用二阶低通巴特沃斯滤波电路。如图 2-1 设计了一个简单的二阶有源 RC 低通滤波器，滤波器截止频率设定在20KHz 。图 2-1 低通滤波电路3 电路仿真结果3.1 仿真电路图图 3-1 仿真时用电路图3.2 输入 Vi 和输出 Vo 波形3.3 幅频特性曲线TWO.SchDoc* PCB_Project1.sdf * 回TWO.NET PCBI .PcbDoc* AC Analysis / Operating Point / Transient Analysis /掩脛级另I清除图 3-3 幅频特性4 生成网络表C1RAD-0.3CapC2RAD-0.3CapP1HDR1X2Header 2P2HDR1X2Header 2R1AXIAL-0.4Res2R2AXIAL-0.4Res2R3AXIAL-0.4Res2R4AXIAL-0.4Res2 U2D008_LLF353D(GNDC2-2P1-2P2-2R3-2)(NetC1_1C1-1R1-2R2-1)(NetC1_2C1-2R4-1)(NetC2_1C2-1R2-2U2-3)(NetP1_1P1-1R1-1)(NetP2_1P2-1U2-1)(NetR3_1R3-1R4-2U2-25 制作 PCB5.1 调整 Room 区域自动更新生成的 PCB 设计文档中，自动命名了一个 Room 区域，所有的元器件都 包含在这个区域。在该区域中按住左键即选中区域和所有元器件，将元器件移动到 PCB 版内，单击 Room 区域，修改成合适的大小。5.2 排列元器件单击需要移动的元件，然后单击工具栏中的“ +”按钮，再选中该元件即可将它 移到合适的位置。按照以上的步骤逐一移动各个元件，最后得到元件的布局。5.3 绘制电路板电气边界在 PCB 设计工作区的下面，单击“ Keep-out Layer ”，进入布线层。选择“放 置”一“直线”命令，在适当的位置做起始点，最后单击左键结束，然后以同样的方 法绘制整个电路板的边界。5.4 PCB 成图6元器件清单Comment Description Designator Footprint Lib Ref Quantity-VSRCVoltage Source-Vcc, VccVSRC2CapCapacitorC1.C2RAD-D.3Cap2Res2ResistorR1. R2. R3. R4AXIAL-叹Res2上LM358ADDual OperationalU2DDDB_LLF353D1VSINSinusoidal Voltage S ViVSIN1图 6-1 元器件清单心得体会在画家眼里，设计是一幅清明上河图或是一幅向日葵；在建筑师眼中，设计是 昔日鎏金般的圆明园或是今日一塑自由女神像； 在电子工程师心中， 设计是贝尔实验 室的电话机或是华为的程控交换机。凡此种种，但凡涉及设计都是一件美好的事情， 因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感，更 为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养， 而这种营养更是一种福祉， 一辈子 消受不竭享用不尽。我就是以此心态对待此次 PROTEL 课程设计的，所谓“态度决 定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：温故而知新。课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不 够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教 材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理， 遇到难处先是苦思冥想再向同学请教， 终于熟练掌握了基本理论知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。思路即出路。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论 知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。 顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。实践出真知。文革之后，关于真理的大讨论最终结果是“实践是检验真理的唯 一标准”，自从耳闻以来，便一直以为马克思主义中国化生成的教条。时至今日，课 程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。创新求发展。“创新”目前在我国已经提升到国家发展战略地位，足见“创新” 的举足轻重。 而在 DVD 产品上市之初及以后相当长时间内， 原本前景看好的国内市场 却使国内 DVD 生产商无利可图， 只因核心技术受制于人， 每台售出总要交付高额专利 技术使用费。因此，我们在课程设计中不忘在小处创新，未必是创新技术，但凡创新 思维亦可，未必成功，只要实现创新思维培育和锻炼即可。过而能改，善莫大焉。至善至美，是人类永恒的追求。但是，不从忘却“金无 足赤，人无完人”，我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。在课程设计 过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的仿真环节，本 身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。最后，我想我必须对我的指导老师说一声谢谢！参考文献1 邱关源，电路，高等教育出版社 ,19982 吴友宇，模拟电子技术基础，清华大学出版社，2009.53 李银轮，青海师范大学学报，青海师范大学出版社，2003 年第 4 期4 高文焕，江蕙，模拟电路的计算机分析与设计，清华大学出版社，2004.125 王远，模拟电子技术，北京：机械工业出版社，19946 韩亚萍， Protel DXP 基础教程，清华大学出版社， 2005.05