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)

1、封面作者：PanHon glia ng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、Cade nee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Cade nee软件。（2）设计二阶、四阶有源滤波器电路。（3）利用Cade nee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

2、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Cade nee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AbstractI1绪论22设计内容及要求22.1设计的目的及主要任务22.2设计思想33 Proteus软件和Cade nee软件的介绍33.1

3、 Proteus软件33.1.1进入Proteus ISIS33.1.2工作界面33.1.3绘图主要操作43.2 Cade nee软件53.2.1电路的设计步骤53.2.2电路PCB的设计步骤64二阶、四阶有源滤波器电路原理74.1二阶有源滤波器74.2四阶有源滤波器95二阶、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105.2电路的仿真105.3电路的PCB设计106心得体会11参考文献 错误！未定义书签。目10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

4、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，ProtuesAbstractFilter is the circuit which has a selective for the frequency of signals，its function is to make aspecific range offrequency throughSource f

5、ilter is widely used for information processing and datatransmission circuit Based on the analysis of principle of 2nd Source low passed filter，by using theScheme of cascading two 2nd source low-passed filter and themethod of examining the table，the4nd source low-passed filter based on Butterworth i

6、s designed By using the oscilloscopeand Bodeplotter in Protues，the AC Features of this Filter was Simulated，and the sim ulation results wereanalyzed，it SAC features met with theory design and has certain reference valueKey words: Source lowpassed filter，Butterworth，Protues1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

7、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

8、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C

9、ade nee软件。(2)设计二阶、四阶有源滤波器电路。(3)利用Cade nee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

10、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。3 Proteus软件和Cade nee软件的介绍3.1 Proteus 软件3.1.1进入Proteus ISIS双击桌面上的ISIS 6 Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始“程序” “Proteus 6 Professional” “ISIS 6 Professiona”，进入Proteus ISIS集成环境。3.1.2工作界面Proteus ISIS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

11、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 “

12、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“Orig in”命令，也可以点击工具栏的按钮或者按快捷键“0”来自己定

13、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“Pick Devices” 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“Gate

14、gory備件种类）”下面，找到“MicoprocessorlC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

15、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“X”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。3.2 Cade nee 软件3.2.1电路

16、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Capture CIS输出到PCB Editor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PCB Editor设计环境下，需要进行

17、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PCB Editor设 计 界 面， 打 开*.brd的PCB文 件后 ， 首先 要用FileImportlogic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。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

18、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）

19、BGA与相邻元件的距离5m m,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。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RouteConnect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

20、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

21、, 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

22、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

23、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-900，两级RC电路的移相到-1800，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

24、化传递函数可以表示成两个多项式的比：A(s)(4-4)其中A。为通带内的电压放大倍数，飞为截止角频率，Q为品质因子。从(1)式中可知，当=0时，(1)式有最大值1； = 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

25、R=796Q。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=61，则R4=9.27KQ;对于第二级，若选取R7=20K，贝UR4=24.7KQ。图 4-3 4 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 5-1 2 阶有源滤波器原理图图 5-2 4 阶有源滤波器原理图5.2 电路的仿真在proteus上对

26、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 5-4 2 阶低通有源滤波器波特图图 5-5 4 阶低通有源滤波器波形图图 5-6 4 阶低通有源滤波器波特图5.3 电路的 PCB 设计在Cade nee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 5-8 4 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

27、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

28、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

29、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，Cade nee高速PCBg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，Cade nee Con eept HDL & Allegro原理图与

30、PCBg计，电子 工业出版社，2012年出版.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 月曰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This article in eludes some parts, in cludi ng text, pictures, and desig n.Copyright is Pan Hon glia ngs pers onal own ership.用户可将本文的内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及 其他非商业性或非盈利