Proteus及Cadence实训课程方案设计书高阶有源滤波器方案设计书吴中臣.docx

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Proteus及Cadence实训课程方案设计书高阶有源滤波器方案设计书吴中臣

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

电子1003班

指导教师：

葛华工作单位：

信息工程学院

题目:

高阶有源滤波器设计

初始条件：

计算机、Proteus软件、Cadence软件

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：

2周

2、技术要求：

（1）学习Proteus软件和Cadence软件。

（2）设计二阶、四阶有源滤波器电路。

（3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电路进行仿真。

3、查阅至少5篇参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

2014.11.11做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

2014.11.11-11.16学习Proteus软件和Cadence软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

2014.11.17-11.21对所设计的滤波器电路进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

2014.11.22提交课程设计报告，进行答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

滤波器用于对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，有源滤波器被广泛用于信息处理、数据传送等电路中。

在对二阶有源低通滤波器的原理进行分析的基础上，采用2个2阶低通滤波电路级联的方案，设计了基于巴特沃斯逼近的4阶有源低通滤波器。

在Protues软件中使用虚拟示波器、波特图示仪等设备，对设计的滤波器的交流特性进行仿真，并对仿真结果进行了分析，其交流特性符合理论设计，具有一定的参考价值。

关键词：

滤波器，有源低通，巴特沃斯，Protues

Abstract

Filteristhecircuitwhichhasaselectiveforthefrequencyofsignals，itsfunctionistomakeaspecificrangeoffrequencythrough．Sourcefilteriswidelyusedforinformationprocessinganddatatransmissioncircuit．Basedontheanalysisofprincipleof2ndSourcelowpassedfilter，byusingtheSchemeofcascadingtwo2ndsourcelow-passedfilterandthemethodofexaminingthetable，the4ndsourcelow-passedfilterbasedonButterworthisdesigned．ByusingtheoscilloscopeandBodeplotterinProtues，theACFeaturesofthisFilterwasSimulated，andthesimulationresultswereanalyzed，itSACfeaturesmetwiththeorydesignandhascertainreferencevalue．

Keywords:

Sourcelow—passedfilter，Butterworth，Protues

1绪论

滤波器用于对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其他频率的信号通过。

有源滤波器具有设计标准化、模块化、易于制造等优点，因此被广泛用于信息处理、数据传送和抑制干扰等电路中。

低通滤波器分为无源和有源两种。

无源滤波器是由电感、电容及电阻构成的，由于受到尺寸和实际性能的限制，电感在某些频率范围不太适用，因此，近几年来有一种趋向,即用能模拟电感效应的有源器件来代替电感。

几种低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础，各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性推导出来的。

正因如此，才使得滤波器的设计得以简化，精度得以提高。

理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过，而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也称为矩形滤波器（brick-wallfilter）。

遗憾的是，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。

根据所选的逼近函数的不同，可以得到不同的响应。

虽然逼近函数多种多样，但是考虑到实际电路的使用需求，我们通常会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”。

“巴特沃斯响应”带通滤波器具有平坦的响应特性，而“切比雪夫响应”带通滤波器却具有更陡的衰减特性。

所以具体选用何种特性，需要根据电路或系统的具体要求而定。

2设计内容及要求

2.1设计的目的及主要任务

（1）学习Proteus软件和Cadence软件。

（2）设计二阶、四阶有源滤波器电路。

（3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电路进行仿真。

2.2设计思想

本课程设计的课题是二阶、四阶有源高阶滤波器。

首先，根据老师给定的课程设计的任务和要求，选定一款集成运算放大器，再根据技术要求选择其它元器件，设计出外围电路，并设计出整体电路的电路图及其各元件的参数，同时要给出其工作原理；第二步，对设计出的电路图进行仿真。

通过仿真软件Protues对所设计的电路的进行瞬态分析测试和交流扫描以及其它必要仿真，并进行分析，确定电路设计的正确性和可行性；最后, 第三步把仿真结果与理论指标进行对比分析，并对设计成果作出评价.为了得到高的带宽，可优先考虑带宽增益积大的运放，同时为了减少噪声，可选用低噪声运放。

3Proteus软件和Cadence软件的介绍

3.1Proteus软件

3.1.1进入ProteusISIS

双击桌面上的ISIS6Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”→“程序”→“Proteus6Professional”→“ISIS6Professional”，进入ProteusISIS集成环境。

3.1.2工作界面

ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图3-1所示。

包括：

标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。

图3-1工作界面

3.1.3绘图主要操作

3.1.3.1编辑区域的缩放

如图3-1所示主窗口是一个标准Windows窗口，除具有选择执行各种命令的顶部菜单和显示当前状态的底部状态条外，菜单下方有两个工具条，包含与菜单命令一一对应的快捷按钮，窗口左部还有一个工具箱，包含添加所有电路元件的快捷按钮。

工具条、状态条和工具箱均可隐藏。

Proteus的缩放操作多种多样，极大地方便了工程工程的设计。

常见的几种方式有：

完全显示（或者按“F8”）、放大按钮（或者按“F6”）和缩小按钮（或者按“F7”），拖放、取景、找中心（或者按“F5”）。

3.1.3.2点状栅格和刷新

编辑区域的点状栅格，是为了方便元器件定位用的。

鼠标指针在编辑区域移动时，移动的步长就是栅格的尺度，称为“Snap（捕捉）”。

这个功能可使元件依据栅格对齐。

（1）显示和隐藏点状栅格

点状栅格的显示和隐藏可以通过工具栏的按钮或者按快捷键的“G”来实现。

鼠标移动的过程中，在编辑区的下面将出现栅格的坐标值，即坐标指示器，它显示横向的坐标值。

因为坐标的原点在编辑区的中间，有的地方的坐标值比较大，不利于我们进行比较。

此时可通过点击菜单命令“View”下的“Origin”命令，也可以点击工具栏的按钮或者按快捷键“O”来自己定位新的坐标原点。

（2）刷新

编辑窗口显示正在编辑的电路原理图，可以通过执行菜单命令“View”下的“Redraw”命令来刷新显示内容，也可以点击工具栏的刷新命令按钮回或者快捷键“R”，与此同时预览窗口中的内容也将被刷新。

它的用途是当执行一些命令导致显示错乱时，可以使用该命令恢复正常显示。

3.1.3.3对象的放置和编辑

（1）对象的添加和放置

点击工具箱的元器件按钮，使其选中，再点击IsIs对象选择器左边中间的置P按钮，出现“PickDevices”对话框，如图2-3所示。

在这个对话框里可以选择元器件和一些虚拟仪器。

下面以添加单片机AT89C51为例来说明怎么把元器件添加到编辑窗口的。

在“Gategory（器件种类）”下面，找到“MicoprocessorIC”选项，鼠标左键点击一下，在对话框的右侧，会显示大量常见的各种型号的单片机芯片型号。

找到单片机AT89C51，双击“AT89C51”，情形如图2-3所示。

这样在左边的对象选择器就有了AT89C51这个元件了。

点击一下这个元件，然后把鼠标指针移到右边的原理图编辑区的适当位置，点击鼠标的左键，就把AT89C51放到了原理图区。

图3-2元件的选择

（2）放置电源及接地符号

单击工具箱的终端按钮，对象选择器中将出现一些接线端。

在器件选择器里分别“TERMNALS”栏下的“POWER”与“GROUND”，再将鼠标移到原理图编辑区，左键点击一下即可放置电源符号；同样也可以把接地符号放到原理图编辑区。

3.1.3.4连线

Proteus的智能化可在画线时进行自动检测：

当鼠标的指针靠近一个对象的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“×”号，鼠标左键点击元器件的连接点，移动鼠标（不用一直按着左键）就出现了粉红色的连接线变成了深绿色。

如果想让软件自动定出线路径,只需左击另一个连接点即可。

这就是Proteus的线路自动路径功能（简称WAR），如果只是在两个连接点用鼠标左击，WAR将选择一个合适的线径。

WAR可通过使用工具栏里的“WAR”命令按钮来关闭或打开，也可以在菜单栏的“Tools”下找到这个图标。

3.2Cadence软件

3.2.1电路的设计步骤

1、进入Tanner环境，选择L-Edit模块，进入原理图编辑模块

2、点击File-New，新建原理图Module，填入文件名，如下图所示：

图3-3新建Module文件

3、根据逻辑电路图绘制电气原理图，选择添加元件按钮添加元件，选择电线按钮绘制导线。

3.2.2电路PCB的设计步骤

相对于原理图的设计来说，PCB设计是工程的后端。

本文中PCB设计是从CaptureCIS输出到PCBEditor环境中开始的，并由原理图设计来约束、决定。

PCB的设计流程主要分为准备工作、网表输入、布局、布线、设计检查、设计输出几个步骤。

（1）准备工作

　　在PCBEditor设计环境下，需要进行的准备工作有，加载所需封装库，即和原理图各元件属性相对应的器件封装、加载所需焊盘、创建所需的符号（包括机械、规格等）。

（2）网表输入

　　在PCBEditor设计界面，打开*.brd的PCB文件后，首先要用File>Import>logic命令输入由原理图生成的网络表文件。

在网表输入无误之后，设计中所需元件及其电气连接关系就全部加载到PCB编辑界面了。

（3）PCB的布局

　　在布局布线开始之前，要设计好PCB的板框，即Outline。

如果没有Outline，元器件将无法放置。

另外，需要设定PCB的叠层，制定PCB的设计约束和规则，如不同种类信号线的宽度，走线间距，过孔尺寸，走线颜色等等。

　　利用手动或者自动放置方法将元器件一一加载到PCB板框周围后，接下来进行元器件的布局。

在PCB设计中，布局是一个重要环节，布局好坏将直接影响布线的效果以及最终产品的电气性能。

　　Allegro布局的方式分为交互式布局和自动布局，但在使用过程中普遍采用的仍然是交互式布局。

交互式布局时，应遵守以下的原则：

1）首先要完成需要定位元件的定位，再按照“先大后小，先难后易”的原则进行布局。

2）参考原理图，以功能单元的核心元件为中心，围绕核心元件进行布局。

3）总的连线尽可能短，关键信号线最短。

高电压、大电流信号与小电流、低电压弱信号完全分开。

模拟与数字信号分开。

高频与低频信号分开。

高频元件的间隔要充分。

4）BGA与相邻元件的距离>5mm，其它贴片元件相互间的距离>0.7mm。

贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm。

5）使用同一种电源的器件尽量放在一起，以便于电源分隔。

6）发热元件一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热。

7）整体布局应考虑焊接方式和焊接方向，按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。

（4）PCB布线

　　布线是将逻辑连接转换为物理连接的过程，包括连线、过孔、焊盘、弧线、填充、多边形覆铜和电源层等。

布线方式分为自动布线和交互式布线两种。

在对PCB的元器件进行合理的布局后，点击Route>Connect命令，开始进行手动布线。

布线时要优先处理好电源和地的导线，再处理重要的信号线如高速、时钟信号线，最后处理普通信号线。

在相邻的两层，要选择相互垂直的方向来布线，尽量缩短线与线之间的平行距离。

4二阶、四阶有源滤波器电路原理

4.1二阶有源滤波器

4.1.1滤波器的介绍

滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中的无用频率，即抑制无用信号的电子装置。

有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。

低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。

理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。

但实际滤波器不能达到理想要求。

为了寻找最佳的近似理想特性，本文主要着眼于幅频响应，而不考虑相频响应。

一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。

滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。

任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。

对于n为偶数的高阶滤波器，可以由n/2节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由（n-1）/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。

4.1.2有源滤波器的设计

有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：

（1）根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n。

（2）选择具体的电路形式。

（3）根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。

（4）解方程组求出电路中元件的具体数值。

（5）安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。

根据设计要求，我选择巴特沃斯滤波器。

巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但是通带到阻带衰减较慢。

选择二阶有源低通滤波器电路，即n=2。

有源2阶低通滤波器电路如图1.1所示，压控电压源二阶滤波器电路的特点是：

运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出的阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，其优点是电路性能稳定，增益容易调整。

图4-1有源低通滤波器电路图

在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率f＞＞fc时（fc为截止频率），电路的每级RC电路的相移趋于-90º，两级RC电路的移相到-180º，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容C引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。

巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为：

，n=1，2，3，...（4-1）

（4-2）

（4-3）

Butterworth的二阶归一化传递函数为：

H（s）=1/（s*s+1.414*s+1）；它的化归一化传递函数可以表示成两个多项式的比:

A（s）（4-4）

其中Auo为通带内的电压放大倍数，ωC为截止角频率，Q为品质因子。

从

（1）式中可知，当ω=0时，

（1）式有最大值1；ω=ωC时，

（1）式等于0.707，即Au衰减了3dB；

；（4-5）

（4-6）

简化电路图如下：

图4-2二阶有源滤波器简化电路图

4.2四阶有源滤波器

4阶有源低通滤波器可以由2个2阶低通滤波器级联组成，其基本电路图如图3所示。

设计4阶巴特沃思低通滤波器的传递函数，用2个2阶巴特沃思低通滤波器构成1个4阶巴特沃恩低通滤波器，其传递函数为：

（4-7）

为了简化计算，其参数满足如下条件：

（4-8）

（4-9）

选取C=0.01uF，可算得R=796Ω。

4阶巴特沃思低通滤波器2个阻尼系数为：

-0.765,1.848，由此算得两个零频增益为：

（4-10）

（4-11）

则传递函数为：

（4-12）

可以选择两个2阶巴特沃斯低通滤波器级联组成。

增益分别为：

（4-13）

（4-14）

对于第一级，若选取R3=61KΩ，则R4=9.27KΩ；

对于第二级，若选取R7=20KΩ，则R4=24.7KΩ。

图4-34阶低通滤波器基本电路

5二阶、四阶有源滤波器电路的设计与仿真

5.1电路原理图的设计

经过上述软件的使用步骤以及电路的原理，设计出入下图的电路图。

图5-12阶有源滤波器原理图

图5-24阶有源滤波器原理图

5.2电路的仿真

在proteus上对电路进行仿真，仿真结果如下所示：

图5-32阶低通有源滤波器波形图

图5-42阶低通有源滤波器波特图

图5-54阶低通有源滤波器波形图

图5-64阶低通有源滤波器波特图

5.3电路的PCB设计

在Cadence上绘制电路图并画出相应的PCB，结果如下所示：

图5-72阶低通有源滤波器PCB图

图5-84阶低通有源滤波器PCB图

6心得体会

这次课程设计，我们通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较，从而进一步验证了所学的理论知识，检验了我们平时的学习效果。

虽然此次课程设计与实际操作分析还有很大的差距，但是它提高了我们综合解决问题的能力，为我们以后的学习打下了基础。

通过这次课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、自己解决问题，对示波器、滤波电路等都有了更深刻的理解。

在设计的过程中，当然也遇到了很多的困难，能过讨论和查阅资料，逐一解决了这些问题。

通过解决课程设计的这些难点，与其说是增加了的知识，不如说培养了我们一个积极的心态。

当遇到困难时，端正态度，认真地查资料，跟老师和同学讨论，以一个最积极的充满信心的态度，最终总会解决问题。

在做课程设计的过程中，我们除了学到了一些技能以外的其他东西,更领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化。

在这种相互协调合作的过程中,口角的斗争在所难免,关键是我们如何的处理遇到的分歧,而不是一味的计较和埋怨.这不仅仅是在类似于这样的协调当中,生活中的很多事情都需要我们有这样的处理能力,面对分歧大家要消除误解,相互理解,增进了解,达到谅解。

也许很多问题没有想象中的那么复杂,关键还是看我们的心态,那种处理和解决分歧的心态,因为毕竟我们的出发点都是很好的。

课程设计也是一种学习优秀品质的过程，有位老师说得好,有有些事情的产生只是有原因的,别人能在诸如学习上取得了不一般的成绩,那绝对不是侥幸或者巧合,那是自己付出劳动的成果的彰显,那是自己辛苦过程的体现。

这种不断上进,认真一致的心态也必将导致一个人在生活和学习的各个方面做的很完美,有位那种追求的锲而不舍的过程是相同的,这就是一种优良的品质,它将指引着一个人意气风发,更好走好自己的每一步。

参考文献

[1]王卫东编著，模拟电子电路基础，西安电子科技大学出版社，2003年出版.

[2]张白莉,郭红英编著，基于EWB的巴特沃斯有源低通滤波器的设计与仿真，自然科学版,2011年出版.

[3]黄豪佑等编著，Cadence高速PCB设计与仿真分析，北京航天航空大学出版社，2006.年出版.

[4]周润景，李琳编著，CadenceConceptHDL&Allegro原理图与PCB设计，电子工业出版社，2012年出版.

[5]陈东编著，orCAD电路设计，国防工业出版社，2004年出版。

附件6：

本科生课程设计成绩评定表

姓名

吴中臣

性别

男

专业、班级

电子科学与技术电子1003班

课程设计题目：

高阶有源滤波器设计

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日

版权申明

本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理。

版权为潘宏亮个人所有

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