有源二阶滤波器的设计.doc

课程设计(论文)说明书题 目：有源二阶滤波器的设计 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 通信工程 学生姓名： 庞健 学 号： 0800210122 指导教师： 田克纯 职 称： 教授 2010年 12月 23日 第1 页 共20 页引言课程设计是理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。本次课程设计主要注重的是电子电路的设计、仿真、安装、调试、印制电路板等综合于一体的一门课程，意在培养学生正确的设计思想方法以及思路，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度,培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力。作为一名大学生不仅需要扎实的理论知识，还需要过硬的动手能力，所以认真做好课程设计，对提高我们的动手能力有很大的帮助做到。关键词：NE5532； Abstract This article proposed a kind of alarm system which based on the GSM network transmission long-distance. Front end controller module controls all kinds of detectors, and analyses the alarm messages, it launches the signal through wireless radio frequency receiving and dispatching chip nRF2401. The receiving module is composed of the Single-chip Microcomputer development board and radio frequency received chip nRF2401.The front end receiving controller launches the signal, and controls the GSM module by using the serial port, the corresponding alarm message will carry on the transmission by the GSM short news form, the police sentiment directs to link user. The system has high reliability, good timeliness characteristics and as well as the low cost, it widely utilizes in the family or other needs the long-distance monitoring the situation. This article emphatically in realized to systems receiving modules algorithm research and the software has carried on the detailed description. The systems control parts software design enables the wireless receive module to be able to receive the node launch the data, and through serial port data transfer for the GSM module. Key words: nRF2401; Radio Frequency; Wireless communication; GSM module;Long-distance alarm system 第2 页 共20 页目 录引言41、设计任务42、 基于GSM网络传输远程报警系统的简介52.1 系统的结构52.2 系统的工作原理53、 射频收发芯片nRF2401的简介53.1 引言53.2 芯片结构、引脚说明63.2.1 芯片结构63.2.2 引脚说明63.3 工作模式73.3.1 收发模式73.3.2 配置模式83.3.3 空闲模式83.3.4 关机模式93.4 器件配置94、 nRF2401的接收程序104.1 nRF2401接收的流程图104.2 nRF2401接收程序及分析105、 调试过程注意事项156、 设计总结16谢 辞16参考文献17附 录18 第3 页 共20 页引言 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。带阻滤波器是一个阻止特定频率而让其他频率通过的部件。理想带阻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，本论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，可以由节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由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。【一】设计题目： 带阻滤波器【二】设计要求： （1）中心截止频率fc=1000Hz；（2）增益Av2；（3）Q越大越好； （4） 阻带衰减速率大于等于40dB/10倍频程；（5）调整并记录滤波器的波形、性能参数及幅频特性。 第 4 页 共 20 页【三】题目分析：滤波器的设计原理依据及元器件的选择2.1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。带阻滤波器是一个阻止特定频率而让其他频率通过的部件。理想带阻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，本论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，可以由节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由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。2.2 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。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ffc时（fc 为截止频率），电路的每级RC 电路的相移趋于-90，两级RC 电路的移相到-180，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带阻滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，阻止特定频段信号通过。 第 4 页 共 20 页2.3NE5532 介绍 NE5532/SE5532/SA5532/NE5532A/SE5532A/SA5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。 相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建议使用5532A版，因为它能保证噪声电压指标。1.特点介绍：小信号带宽：10MHZ输出驱动能力：600，10V有效值 输入噪声电压：5nV/Hz(典型值) 直流 电压增益：50000 交流电压增益：2200-10KHZ功率带宽： 140KHZ转换速率： 9V/s大的电源电压范围：3V-20V 单位增益补偿 第 4 页 共 20 页2.NE5532 管脚图【四】整体构思：*二阶带阻滤波器电路及工作原理（BEF）如图1（a）所示，这种电路的性能和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺利通过。在双T网络后加一级同相比例运算电路就构成了基本的二阶有源BEF。 (a) 电路图 (b) 频率特性 图2二阶带阻滤波器 第 4 页 共 20 页电路性能参数 ：通带增益 中心频率 带阻宽度B2（2Aup）f0选择性1压控电压源二阶带阻滤波器电路如图2所示。电路的传输函数：其中，通带电压放大倍数： 阻带中心处的角频率： 品质因数：2.无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器该电路由二阶带通滤波器和一个加法器组成，如图3所示。电路的传输函数为：其中：通带电压放大倍数：（Auo即为Av） 第 4 页 共 20 页阻带中心角频率：阻带带宽：表1电路元器件值R10.796Q R2R1/(Q2-1)R31.0R44R1R52.0R6AvR3C10.33C注：电阻为参数k=1 时的值，单位为k,增益为Av（反相），品质因数位Q为了得到相对应的电阻值，需要算出K值，用K值乘以相应的R得到R；而K=100/(fc*C) （24）注释：C以uf作为单位，fc以hz为单位。K值不能太大，否则会使电阻的取值较大，从而使引入的误差增加，通常选择1 K10.【五】具体实现滤波器类型及阶数的选择根据课设要求，我们选择巴特沃斯（butterworth）滤波电路。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。由于要求为-40dB/十倍频程，选择二阶有源低通滤波器电路，即n=2。 第 4 页 共 20 页有源2阶带阻滤波器电路如图1所示。 二阶有源带阻滤波器 图1【六】各部分定性说明以及定量计算1.1 本次课设，我们取Q=10。经查表得，fc=50hz时取C=1uf，对应参数K=2；由表2.1得困时，电阻R1=0.796Q=7.96K,R2=R1/(Q2-1)=0.08K,R3=1.0K,R4=4R1=31.84K,R5=2K;取滤波器的增益为Av=2，则R6=2K；将上述电阻值乘以参数K=5，取得R1=39.82K,取标称值40K；R2 =0.4K； R3=5K;R4=159.28K,取标称值160K；R5=10K;R6=10K;增益Av=-R6/R3=-2。实验调整修改元件值。设输入信号为Vi=20mV.测得其性能参数为：f0=50hz,Av=2，fh=55hz,fl=45hz,则BW=fh-fl=10hz,品质因数Q=f0/BW=5,与设计值Q=10的要求偏差较大。可以进一步调整原件参数使其满足实际要求。调整后的元件参数、幅频特性如图3所示。（注：实验电路图中的芯片uA747应为NE5532） 图3.2 第 4 页 共 20 页 图3 .1 (a) 图3 二阶无限增益多路反馈带阻滤波器 (a)实验电路 (b)幅频特性1.2 multisim辅助设计及修正通过multisim仿真软件对上述电路进一步修正，修正的结果为图5：图5 multisim仿真电路12其频域仿真结果为： 第 4 页 共 20 页 其波形图为：图6 multisim仿真得到的频域图及波形图 1.3 采用DXP2004设计电路图及问题电路的原理图为图7所设计电路的pcb图为 图7 第 4 页 共 20 页DXP注意事项电路绘制的时候主要是注意各个元器件的封装和实际买回来的元器件的管脚大小及距离相对应，并有选择地采用排针作为信号的输入以及输出和直流电源的输入。电容用CAPPR2-5x6.8封装型号。元器件采用手动布局。布线采用手动布局，布线时需要设计好参数。一般线条大小为1mm，地线和电源线大小为1.3mm，过孔为1mm，焊盘为1.8mm。电路板的长宽为：75mm55mm。实际板子大小为：100mm60mm绘制好的pcb的sch电路图看附录。Pcb板请看附录图1.1.4 制作pcb板的流程设计好原理图sch改变封装绘制pcb板布局布线打印pcb图纸印制铜板腐蚀铜板钻孔焊接元器件测板修改电路测试（直到符合设计要求）。1.5 注意事项（1）电阻的标称值应尽可能接近设计值，这可以适当选用几个电阻串并联；尽可能采用金属膜电阻电容及容差小于10%的电容，影响滤波器性能的主要因素是 R/R、C/C及运放的功能。（2）在测试过程中，若某项指标偏差较大，则根据设计表调整修正相应元器件的值。（3）制作板子过程中，为了节省材料，节约资源，尽量用最少的东西完成最佳的功能。所以板子元器件布局紧密。而提高抗干扰能力，布线时尽量短，少，在拐角处不要用90的角。焊盘过孔设计合理。【七】调板以及测试分析1测试仪器表仪器名称仪器型号数量备注模拟示波器YB43251台4位半万用表VC98061个信号发生器1台直流电压源1台仿真软件Multisim8表5.12 对安装好的电路按一下方法进行调整和测试：（1） 仔细检查装好的电路，确定元件与导线连接无误后，接通电源。（2） 在电路的输入端假如Vi=1V的正弦信号，慢慢改变输入的信号的频率（注意保持Vi的不变），用示波器观察输出电压的变化。在滤波器的截止频率附近，观察电路是否具有滤波特性，若没有滤波特性，应检查电路，找出故障原因并排除之。（3）若电路具有滤波特性，可进一步进行调试。对低通滤波器应观测其截止频率（4） 是否满足设计要求，若不满足设计要求应根据公式，确定应调整哪个元件才能使截止频率既能达到设计要求又不会对其它的指标参数产生影响。然后观测电压放大倍数是否满足设计要求，若不达到要求，应根据相关公式调整有关的元件，使其达到设计要求。通过测试设计值点电路板的结果，对电路板进行修正以达到设计要求。设计指标：fc=50hz，增益为Av=2，-40dB/十倍频程。输入信号Vi=1Vp-p，观察滤波器的截止频率fc及电压放大倍数Av。按要求理论测试结果应为：在相对低频时，如fc1为35hz时，电压放大倍数为2；在fc=50hz时，Av=0；在相对高频时，如fc1为65hz时，电压放大倍数为2。3 实际电路遇到的问题及解决方法测试结果显示fc=47hz，不符合截止频率为50hz的要求。经过多次分析，认为理论的设计的方法和实际的不符。并由 得知，假如实际的截止频率比所要求的截止频率小，则要求把电阻或者电容减小；假如实际的截止频率比要求的大，则要求把电阻或者电容增大。由于测试的截止频率比设计要求的低，所以要提高它的截止频率。假定电容不变了，则电阻值RWcfc和RWcfc；可以判定原来的电路的电阻值过大。介于个人经验不足，我原先把R1原来的16k改成15k，但是还是没有满足要求。然后我将R1变回16K，改变R2电阻值为150的电阻。即R2=150，R1=16k，C1=C2=1uf。做出上述的改变之后各项设计要求基本达标。4 测试结果和幅频图分析电路测试得到的输出电压和频率Vofc关系表如下：序列123456789fc600700800850900920940950960Vo/v2.0001.9851.9201.8601.7501.5951.4441.3521.228序列101112131415161718fc970980990100010101020103010401050Vo/v1.1261.0221.0081.0481.0861.1641.2621.3481.406序列19202122233425fc1060108011001150120013001400Vo/v1.4951.6901.7051.8251.8951.9451.970它的频率特性曲线为图5.1：图5.1通过上图可知，在输入频率为600hz之前，输出的电压值大于2V，即在低频段时Q值大于0.707，衰减速率符合设计要求。在输入频率为1khz时，衰减因子Q为0.707左右。大于1khz的时候，衰减的速率大概接近13dB，有些部分超过13dB。实际的电路基本满足设计指标要求。电阻R的稳定性可用相对误差R/R表示，电容C的稳定性可用C/C表示，由于R、C的不稳定引起中心角频率Wo的不稳定，Wo的稳定性用Wo/Wo表示。Wo/Wo=(Wo/R)R+(Wo/C) C因为Wo=1/(RC)=-(R+C),所以Wo/Wo=-(R+C) /RR+-(R+C) /CC=R/RC/C由于R/R、C/C对频率fc的影响较大，所以试验参数与设计表中的关系式之间存在较大的误差。所以进行理论误差和实际误差的意思不大。课设目的不是误差分析，而是通过此次课程设计能够加深理论与实际的工程思维。 第 16页 共 20 页【八】在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施：根据电路的设计确定的电阻为： R1=39.82K,取标称值40K；R2 =0.4K； R3=5K;R4=159.28K,取标称值160K；R5=10K;R6=10K。由于不是每个阻值的电阻都有，所以一般我们取接近的值，这样就不可避免地产生了误差。在仿真很软件上仿真得到的中心频率在1000Hz附近，误差很小。但是在电路板做好后，实际测试得到的中心频率仅为750Hz，与要求的1000Hz相差很远。所以，必须减小电容和电阻的值，由于所接上的电容已经是0.0223uf，在0.002以下已经没有适合的电容符合要求。所以只能考虑减小电阻的值。R2实际所接的的电阻值是390，考虑把240的阻值加到R2， 焊好之后，测得到中心频率为948Hz，已经非常接近设计要求了。在此情况下，把R2换成220后，测得的中心频率为995-1000Hz之间，已经基本符合设计要求。【九】设计心得体会：我认为做带阻滤波器课程设计是十分有意义，而且是十分有必要的。正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，学习任何知识仅从理论上去求知，而不去实践探索是不够的。所以在模拟电子技术即将结束之际的电子电路课程设计是很及时很必要的。在这次的课程设计中，我遇到了很多问题。比如在电压放在倍数的推导时，我就算了很长时间，先是电路复杂，不会推导计算，这直接导致了我无法很顺利的计算带阻滤波器的幅频特性，然后翻阅了大量书籍查资料，并在老师的指导下终于推导出相关公式，设计出了幅频特性图。而且我感触最