3Protel99se的安裝于使用與濾波器的設計

1、第三章 Protel99se的安裝與電路原理圖的設計重點：利用Protel99se 設計電路原理圖難點：各種濾波器的設計(請在課前查閱濾波器的相關(guān)內(nèi)容：包括RC, RLC, 運算放大器構(gòu)建的一階，二階濾波器)。一. Protel99se軟件簡介 Protel是PROTEL公司在20世紀80年代末推出的CAD工具，是PCB設計者的首選軟件。它較早在國內(nèi)使用，普及率最高，幾乎所在的電路公司都要用到它。早期的Protel主要作為印刷板自動布線工具使用，其最新版本為Protel DXP，現(xiàn)在普遍使用的是Protel99SE，它是個完整的全方位電路設計系統(tǒng)，包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號

2、仿真、多層印刷電路板設計（包含印刷電路板自動布局布線），可編程邏輯器件設計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客戶/服務體系結(jié)構(gòu)）， 使用多層印制線路板的自動布線，可實現(xiàn)高密度PCB的100%布通率。 二.Protel99se的安裝三.Protel99se設計PCB電路板的過程1 電路原理圖設計步驟（1）新建電路原理圖；（2）啟動電路原理圖編輯器；（3）設置圖紙和工作環(huán)境；（4）加載元件庫；（5）放置元件庫；（6）調(diào)整元器件布局；（7）進行布線及調(diào)整；（8）報表文件的生成；（9）文件的保存與輸出；四、濾波器（Band Pass Filter）的設計1、

3、濾波器定義所謂濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，對輸入或輸出的信號中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。一般可實為一個可實現(xiàn)的線性時不變系統(tǒng)。2、濾波器的分類常用的濾波器按以下類型進行分類。1) 按所處理的信號：按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。 2) 按所通過信號的頻段按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通

4、過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。3) 按所采用的元器件按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。無源濾波器： 僅由無源元件(R、L 和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅

5、沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。 4) 按照階數(shù)來分通過傳遞函數(shù)的階數(shù)來確定濾波器的分類。帶通濾波器（band-pass filter）是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設備。比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。3、低通濾波器的一些概念1、單位分貝：是用對數(shù)的方式描述相對值，無量綱。B 貝爾 （A/B）(貝

6、爾)=lg（A/B）=lg(A)-lg(B)dB 分貝 （A/B）(分貝)=10 1g（A/B）對于幅頻響應，其中3dB ：功率為2倍（10*1g2=3.01），電壓或電流為1.414倍。4、一階RC低通濾波器頻率響應幅頻特性：；相頻特性：；截止角頻率 時，振幅=-3dB式中為輸入信號的角頻率，令=RC為回路的時間常數(shù)，則有 ，為截止頻率。通過Multisim進行模擬得到截止頻率為1K Hz的RC濾波器幅頻和相頻特性曲線，=RC=0.1592ms，只需要RC的乘積為此值既可。取R=1K，C=0.15設計出濾波器電路，進行模擬。得到的頻譜圖和相位圖如圖所示?？梢钥吹皆?3dB的截止點，頻率為1k

7、Hz所以滿足設計要求。在相位圖上可以看到該點對應的角度為45?？偨Y(jié)：適當改變電路中R或C的取值，可改變截止頻率。設計低通濾波器時，應使截止頻率大于有用信號的頻率。 根據(jù)截止頻率，算出時間常數(shù)=RC的值，然后根據(jù)需要選取所需的電阻與電感既可。不過RC濾波器在較低的信號源阻抗和較高的負載阻抗下才比較好的效果。5. 二階RC無源低通濾波器采用1階無源RC濾波器覺得不夠滿意地方可以采用RC濾波器簡單地多級連接的方法。但需要較低的信號源阻抗和較高的負載阻抗。在RC 濾波器多級連接時，如果各級都采用相同的R、C值，由于相互之間存在阻抗的影響，在截止頻率附近會使截止頻率下滑。改進的方式是采取從低阻抗到高阻抗

8、的順序排列。典型的二階RC低通濾波電路如下可以求得截止角頻率，截止頻率通過Multisim進行模擬得到截止頻率為1K Hz的RC濾波器幅頻和相頻特性=59.58s。取R=10k,6nF.仿真曲線如下總結(jié)：在-3dB時的截止頻率為1kHz滿足設計要求，同時可以看到，由于階數(shù)的增加，相位的變化范圍也增加。在中間點的相位為90度。由于只需要使=RC滿足特定值，因此有無數(shù)的設計方案。但是為了防止截止頻率下滑，特別是在設計2階以上的RC低通網(wǎng)絡時最好按照阻抗從小到大排列，這樣會得到更好的衰減效果。6. 有源濾波器的基本概念 由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的

9、信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號?？捎迷谛畔⑻幚?、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對頻率范圍的選擇不同，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)等濾波器，它們的幅頻特性如圖3-1所示。由于具有理想幅頻特性的濾波器很難實現(xiàn)，只能用實際的幅頻特性逼近。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高,幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。6.1 單元電路的設計 二階RC有源低通濾波器(LPF)的設計（

10、1）低通濾波器特性 圖3-2（a）所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運算電路組成，其中第一級電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。圖3-2（b）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。 (a)電路圖 (b)頻率特性圖3-2 二階低通濾波器（2）電路性能參數(shù)二階低通濾波器的通帶增益 截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。當 時，Q1，在 處的電壓增益將大于 ，幅頻特性在 處將抬高如圖2-2所示。當 3時，Q=，有源濾波器自激。由于將 接到輸出端，等于在高頻端給LPF加了一點正反饋，所以在高

11、頻端的放大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。 （3） 參數(shù)計算 設定低通濾波器的截止頻率為400Hz、品質(zhì)因數(shù)Q=0.707，由公式得出Aup=1.58，又由得出，由此設定Rf=9.1k,R1=15k；為簡化計算，設定R2=R3=R,C1=C2=C；又根據(jù)截至頻率，初步確定電容值C1=C2=C=0.01Uf，由得出R2=R3=39k 二階RC有源高通濾波器（HPF）的設計（1） 高通濾波器的性能 與低通濾波器相反，高通濾波器用來通過高頻信號，衰減或抑制低頻信號。只要將圖3-3低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源高通濾波器，如圖3-3(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反

12、，其頻率響應和低通濾波器是“鏡象”關(guān)系，仿照LPH分析方法，不難求得HPF的幅頻特性。 (a) 電路圖 (b) 幅頻特性圖3-3 二階高通濾波器 （2）電路性能參數(shù)： 二階高通濾波器的通帶增益 截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響高通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。 當 時，幅頻特性曲線的斜率為+40 dB/dec；當 3時，電路自激。電路性能參數(shù)、各量的函義同二階低通濾波器。圖3-3（b）為二階高通濾波器的幅頻特性曲線，它與二階低通濾波器的幅頻特性曲線有“鏡像”關(guān)系。（3）參數(shù)計算：設定低通濾波器的截止頻率為f0=2kHz、品質(zhì)因數(shù)Q=0.707，由公

13、式得出Aup=1.58，又由得出，由此設定Rf=9.1k,R1=15k；為簡化計算，設定R2=R3=R,C1=C2=C；又根據(jù)截至頻率f0=2kHz，初步確定電容值C1=C2=C=0.01Uf，由得出R2=R3=8.2k 二階RC有源帶通濾波器（BPF）的設計（1） 帶通濾波器特性 帶通濾波器只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制，注意：要將高通的下限截止頻率設置為小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。如圖3-4所示。(a) 帶通濾波器原理框圖 （b）電路圖 (c)幅頻特性圖2-4 二階帶通濾波器（2）電路性能參數(shù)Aup=Aup1+Aup2 二階帶通濾波器的通帶增益fH=1/(2R1C1） 二階低通濾波器的截止頻率 FL=1/(2R2C2) 二階高通濾波器的截止頻率F0=（fH+fL）/2 中心頻率Q=f0/(fH-fL） 品質(zhì)因數(shù)，其大小影響濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀（3）參數(shù)計算：從圖2-4中我們知道此帶通濾波器是由高通和低通濾波器串聯(lián)而成，設