超低频信号滤波放大整形电路的设计.doc

目录一、概述1二、方案论证1三、电路设计3四、性能的测试7五、结论8六、性价比9七、课设体会及合理化建议9参考文献9附录I 总电路图11附录II 元器件清单12一、概述 超低频通信技术是当今世界的一个新兴研究领域，在水下通信系统、海洋、地震检测、核废料处理和环境保护等方面具有广泛的应用前景。 工程中，经常采用对建筑结构环境振动的检测，来确定结构的动力特性、核验施工中有无重大的质量问题、检验建筑结构的可靠性、评估建筑结构的安全裕度。一般工程建筑结构的环境振动固有频率多比较低，在05Hz1Oltz之间，通常采用拾振器进行检测。随着高层建筑、高耸建筑结构，大跨度桥梁的不断出现，这些建筑结构的环境振动的频率更低。例如上海金茂大厦固有频率0162Hz，天津电视塔固有频率为0176Hz；铜陵长江大桥，固有频率032Hz。这些都属于超低频振动信号，由于信号振幅变化缓慢，周期很长，环境干扰和测量系统漂移等因素，对于超低频信号的采集与处理系统的稳定性和精度的要求都很高，并且在电路设计中更加注重信号的直流特性，尽可能的保持信号直流特性的完整性。 一般的当我们接受到一个超低频信号时，它并不能被我们直接观察和分析的，而是只有在通过一定的电路处理使之进行滤波、放大、整形输出以后，才可以变成能让我们观察、分析和处理的稳定状态的信号。所以说对于工程上的一般信号必须经过超低频滤波电路、放大电路和整形电路处理，才能得到我们想要的有效信号。 整个电路由三模块组成：低通滤波放大电路、波形转换电路和电源电路。滤波的原理是使特定的频率范围内的信号通过，而阻止其它的非理想频率信号的通过。在实际的信号采集中，外来的干扰信号有很多，并且混入理想的信号中，所以我们必须采取有效的措施将这些干扰信号滤除掉。波形转换是采用施密特触发器实现的，将信号整形为方波，以便CPU的后续信号采集和处理。电源部分采用的是倍压整流法，倍压整流电路产生负电压，再用三端稳压器LM7905将电压稳定在所要求的电压值上，为系统供电。二、方案论证 设计一个低通滤波放大电路和一个整形电路：通带增益Ao=20db，通带频率fc=10Hz，通带增益纹波Rp=1db，截止带频率fs=40 Hz，截止带衰减-30dB；输出信号要求是同频率的标准方波信号；设计一个电源，输入直流5V，输出直流5V，用于该电路供电。 图1 系统总体框图 1、低通就是让低于某一特定频率信号量通过，而滤除不符合要求信号量，达到过滤“噪声”的效果。对于不同的低通滤波器而言，每个频率的信号强弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器，或高音消除滤波器。低通滤波器一般分为有源低通滤波和无源低通滤波，本次课程设计采用的是有源低通滤波器，即电路由无源元件和有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）共同组成。 2、由555定时器组成的施密特触发器：当输入小于1/3 VCC时输出为高电平1，当输入大于1/3 VCC小于2/3 VCC时输出保持不变，当输入的数值大于2/3 VCC时输出为低电平0，只要有确定的VCC的值，再输入正弦波就能使通过施密特触发器的波随时间完成高低电平的转换，从而形成方波。由此实现正弦波到方波的转换。 3、单稳态触发器：它只有一个稳态，另外还有一个暂稳态。所谓暂稳态，是一个不能长久保持的状态，在暂稳态期间，电路中一些电压和电流会随着电容的充电和放电发生变化。在稳态中，电路中电流及电压是不变的。在单稳态触发器中，没有外加触发信号的作用，电路始终处于稳态；而在外加触发信号的作用下，电路能从稳态翻转到暂稳态，经过一段时间后，又能自动返回稳态。单稳态触发器处于暂稳态的时间通常取决于电容充电和放电的时间，与触发脉冲无关，这个时间等于单稳态触发器的输出脉冲的宽度。tw=RCln（(Vcc-0)/(Vcc-2/3Vcc)）=1.1RC,RC=1就是单稳态触发器的输出脉冲的宽度，且频率为1秒时间内完成振动的次数，由于单稳态触发器的输出脉冲的宽度，使计数器只能记录1秒的正弦波振动次数即为频率。 4、在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。 5V，1KHz的正弦信号经过三极管推挽放大后。利用倍压整流得到所需负电压（+5V变-4V)，然后再用三端稳压器LM7905将电压稳定在-5V。 这里也可以采用集成运放电压负反馈直接构成电源，根据集成运放的计算方法很容易得到-5V电压，再用上述的稳压器稳压亦可得到符合要求的电压。根据简易和性价比原则，本次设计采用后者设计电源。 通过上述理论很容易看出此方案的科学性和可行性，我们可以完成超低频信号滤波放大整形电路的设计。实际环境下的有效信号一般是传感器或通信传输的信号，在本次课设中我们采用函数发生器给出。关于技术指标部分，本次设计采用了FilterPro软件的辅助。滤波器中的滤波放大电路采用TI公司的FilterPro滤波器设计软件生成，只需要将技术指标参数（通带增益Ao=20db，通带频率fc=10Hz，通带增益纹波Rp=1db，截止带频率fs=40 Hz，截止带衰减-30dB）正确输入即可。三、电路设计 1、通过FilterPro Desktop软件可以帮助我们完成滤波放大电路的设计，在此采用的是反相输入四阶低通滤波器，即由两个二阶低通滤波器串联起来的（如图2）。这里的反相输入二阶低通电路与同相输入电路类似，增加了RC环节，可以使滤波器的过渡带变窄，衰减斜率的值增大。为了改善fo附近的频率特性，也可以采用压控电压源二阶滤波器相似的方法，即多路反馈的方法。 图2 四阶低通滤波器方框图 滤波放大电路参数：通带增益Ao=20db，通带频率fc=10Hz，通带增益纹波Rp=1db，截止带频率fs=40 Hz，截止带衰减-30dB。借助于TI公司的FilterPro滤波器设计软件设计滤波放大电路： FilterPro Design Report SchematicDesign Name: Lowpass, Multiple Feedback, Gaussian to 12 dB Part: Ideal Opamp Order: 4 Stages: 2 Gain: 10 V/V ( 19.9984746238476 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Passband Frequency: 10 Hz Corner Frequency Attenuation: 16.998 dB Stopband Attenuation: -30 dB Stopband Frequency: 40 Hz 图3 FilterPro设计的滤波放大电路 Filter Stage: 1 Filter Stage: 2 Passband Gain(Ao): 3.162 Passband Gain(Ao): 3.162 Cutoff Frequency(fn):19.36Hz Cutoff Frequency(fn):10.74HzQualityFactor(Q): 1.04 QualityFactor(Q): 0.58Filter Response: Gaussian 12dB Filter Response: Gaussian 12dBCircuit Topology: Multiplefeedback Circuit Topology: MultiplefeedbackMin GBW reqd: 6.3665KHz Min GBW reqd: 1.9697KHz 2、波形转换电路的核心是555定时器组成的单稳态触发器：当输入小于1/3 VCC时输出为高电平1，当输入大于1/3 VCC小于2/3 VCC时输出保持不变，当输入的数值大于2/3 VCC时输出为低电平0，只要有确定的VCC的值，再输入正弦波就能使通过施密特触发器的波随时间完成高低电平的转换，从而形成方波。 图4 单稳态触发器 3、供电电源的设计有两种方法，一是倍压整流法，二是集成运算法。在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。 5V，1KHz的正弦信号经过三极管推挽放大后。利用倍压整流得到所需负电压（+5V变-4V)，然后再用三端稳压器LM7905将电压稳定在-5V。倍压整流法复杂，而且所设计出来的电压稳定性很差。集成运算法简单，而稳定，性价比极高，所以电源的设计采用集成运算法。为使得到的电压稳定，在电压输出端都应该接三端稳压器，这里采用的是LM7905（电压输入范围是-7V到-20V, 电压输出对应-4.8V到-5.2V，典型值是-5.0V）。下面给出两种电源方案的电路图： 图5 倍压整流法电路图 图6 集成运算法电路图 由上可知电源的设计采用集成运算方案更加合理，所以本次课设的电源方案就选取了后者的电路，性价比更高，也贴合实际。四、性能的测试 1、信号发生器参数图： 图7 信号发生器参数设定值 2、对应仿真结果图： 图8 示波器结果图 3、电源性能的测定（上面已经说明电源采用集成运算方案，所以这里的性能测定只针对该方案，倍压整流法就不再测试了）： 图9 输入电压为5V的参数结果图 图10 输入输出电压参数表五、结论 本次课设主要是由三部分构成的：滤波放大电路、波形转换电路和电源电路。借助于TI公司的FilterPro滤波器设计软件完成了滤波放大电路的设计，波形转换的核心是555定时器（当输入小于1/3 VCC时输出为高电平1，当输入大于1/3 VCC小于2/3 VCC时输出保持不变，当输入的数值大于2/3 VCC时输出为低电平0，只要有确定的VCC的值，再输入正弦波就能使通过施密特触发器的波随时间完成高低电平的转换，从而形成方波。由此实现正弦波到方波的转换），电源的设计是采用了集成运放电压负反馈的原理，从而完成了本次课设。 电源的设计方案有很多种，有倍压整流法（5V，1KHz的正弦信号经过三极管推挽放大后。利用倍压整流得到所需负电压！（+5V变-4V）、34063-DC-DC转换法（利用开关电源原理的电压反接原理）、LM2576、LM2596电压反接法等等，但结合实际要求和性价比的要求，还是运放电压负反馈的方案更加的优良。不仅设计简单，且输入与输出能满足线性关系（如图10所示）。六、性价比 本次课设的技术指标都基本都满足了，电源的输出负电压有一定的误差。应用到的元件也就是电阻、电容、运放、单刀双制开关、+5V电源和555定时器，这些元器件市场价格都很便宜。比如集成运放0.5元一个，普通固定（色环）电阻，单买每个几分钱到几毛钱不等，论包买（100个以上），每个不足一分钱到三分钱不等，所以结合本次课设的性能，可以得出超低频信号滤波放大整形电路设计的性价比很高。尤其是电源的设计，对比其它的电源设计方案，性价比高了很多，为整个的电路设计节省了客观的一笔费用。七、课设体会及合理化建议 通过本次的课设让我体会到了电子技术的重要性，电子技术让我们的生活改变了很多，应用性很强，贴合实际。让我对电子产品有能更深一层的认识，不再像以前那样觉得电子产品很神秘，认为电子产品的开发相当的难，更让我觉得电子产品行业前景一片光明。在未来的世界中，人们的生活越来越离不开电子产品，课设给即将毕业的我指明以后的人生事业道路。 在此希望以后的课程设计能给予学生更多的时间，而不是仅仅两周的时间，当然课设内容也要更难，更加贴合实际，课程设计最好不要安排在期末。二是希望学校能提供我们每次课设都能做出实物的条件和环境。 参考文献1 阎石主编. 数字电子技术. M北京：高等教育出版社，2006年2 姚福安. 电子电路设计与实践M济南：山东科学技术出版社，2001年3刘贵栋主编.电子电路的Multisim仿真实践M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008年4童诗白、华成英主编.模拟电子技术基础,M北京：高等教育出版社，2007年5吴真山主编. 数字电子技术实验与实践，M北京：电子工业出版社，2011年6唐贛、聂典等主编.Multisim 10原理图仿真与PowerPCB5.0.1印制电路板设计，M北京：电子工业出版社，2009年7曲学基、王增福、曲敬铠主编.稳定电源实用电路选编，M北京：电子工业出版社，2003年8李远文译.滤波器理论导论，M北京：人民邮电出版社，1981年9全新实用电路集粹丛书编辑委员会编著.电源应用电路集萃，M北京：机械工业出版社，2005年10曲学基等编著编.稳定电源基本原理与工艺设计，M北京：电子工业出版社，2004年附录I 总电路图附录II 元器件清单序号编号名称型号数量1U1A 集成运放LMC6