3Protel99se的安裝于使用與濾波器的設(shè)計(jì)

1、第三章 Protel99se的安裝與電路原理圖的設(shè)計(jì)重點(diǎn)：利用Protel99se 設(shè)計(jì)電路原理圖難點(diǎn)：各種濾波器的設(shè)計(jì)(請(qǐng)?jiān)谡n前查閱濾波器的相關(guān)內(nèi)容：包括RC, RLC, 運(yùn)算放大器構(gòu)建的一階，二階濾波器)。一. Protel99se軟件簡(jiǎn)介 Protel是PROTEL公司在20世紀(jì)80年代末推出的CAD工具，是PCB設(shè)計(jì)者的首選軟件。它較早在國(guó)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(dòng)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(gè)完整的全方位電路設(shè)計(jì)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(hào)

2、仿真、多層印刷電路板設(shè)計(jì)（包含印刷電路板自動(dòng)布局布線），可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、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(hù)/服務(wù)體系結(jié)構(gòu)）， 使用多層印制線路板的自動(dòng)布線，可實(shí)現(xiàn)高密度PCB的100%布通率。 二.Protel99se的安裝三.Protel99se設(shè)計(jì)PCB電路板的過(guò)程1 電路原理圖設(shè)計(jì)步驟（1）新建電路原理圖；（2）啟動(dòng)電路原理圖編輯器；（3）設(shè)置圖紙和工作環(huán)境；（4）加載元件庫(kù)；（5）放置元件庫(kù)；（6）調(diào)整元器件布局；（7）進(jìn)行布線及調(diào)整；（8）報(bào)表文件的生成；（9）文件的保存與輸出；四、濾波器（Band Pass Filter）的設(shè)計(jì)1、

3、濾波器定義所謂濾波器（filter），是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，對(duì)輸入或輸出的信號(hào)中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。一般可實(shí)為一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的線性時(shí)不變系統(tǒng)。2、濾波器的分類(lèi)常用的濾波器按以下類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。1) 按所處理的信號(hào)：按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。 2) 按所通過(guò)信號(hào)的頻段按所通過(guò)信號(hào)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(hào)中的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過(guò)，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通

4、過(guò)，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過(guò)。3) 按所采用的元器件按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種。無(wú)源濾波器： 僅由無(wú)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(lèi)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)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(wú)源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運(yùn)算放大器）組成。這類(lèi)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅

5、沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)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(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。 4) 按照階數(shù)來(lái)分通過(guò)傳遞函數(shù)的階數(shù)來(lái)確定濾波器的分類(lèi)。帶通濾波器（band-pass filter）是一個(gè)允許特定頻段的波通過(guò)同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備。比如RLC振蕩回路就是一個(gè)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(duì)數(shù)的方式描述相對(duì)值，無(wú)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(duì)于幅頻響應(yīng)，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(yīng)幅頻特性：；相頻特性：；截止角頻率 時(shí)，振幅=-3dB式中為輸入信號(hào)的角頻率，令=RC為回路的時(shí)間常數(shù)，則有 ，為截止頻率。通過(guò)Multisim進(jìn)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(shè)計(jì)出濾波器電路，進(jìn)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(diǎn)，頻率為1k

7、Hz所以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在相位圖上可以看到該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度為45?？偨Y(jié)：適當(dāng)改變電路中R或C的取值，可改變截止頻率。設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，應(yīng)使截止頻率大于有用信號(hào)的頻率。 根據(jù)截止頻率，算出時(shí)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(guò)RC濾波器在較低的信號(hào)源阻抗和較高的負(fù)載阻抗下才比較好的效果。5. 二階RC無(wú)源低通濾波器采用1階無(wú)源RC濾波器覺(jué)得不夠滿(mǎn)意地方可以采用RC濾波器簡(jiǎn)單地多級(jí)連接的方法。但需要較低的信號(hào)源阻抗和較高的負(fù)載阻抗。在RC 濾波器多級(jí)連接時(shí)，如果各級(jí)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(huì)使截止頻率下滑。改進(jìn)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(guò)Multisim進(jìn)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(shí)的截止頻率為1kHz滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)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(diǎn)的相位為90度。由于只需要使=RC滿(mǎn)足特定值，因此有無(wú)數(shù)的設(shè)計(jì)方案。但是為了防止截止頻率下滑，特別是在設(shè)計(jì)2階以上的RC低通網(wǎng)絡(luò)時(shí)最好按照阻抗從小到大排列，這樣會(huì)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(yùn)算放大器組成的濾波器稱(chēng)為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的

9、信號(hào)通過(guò)，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)?？捎迷谛畔⑻幚?、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運(yùn)算放大器頻帶限制，這類(lèi)濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對(duì)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(shí)現(xiàn)，只能用實(shí)際的幅頻特性逼近。一般來(lái)說(shuō)，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(luò)的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)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(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。6.1 單元電路的設(shè)計(jì) 二階RC有源低通濾波器(LPF)的設(shè)計(jì)（

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(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，其中第一級(jí)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(dāng) 時(shí)，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(dāng) 3時(shí)，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(diǎn)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(jì)算 設(shè)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(shè)定Rf=9.1k,R1=15k；為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)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(shè)計(jì)（1） 高通濾波器的性能 與低通濾波器相反，高通濾波器用來(lái)通過(guò)高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。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(yīng)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(dāng) 時(shí)，幅頻特性曲線的斜率為+40 dB/dec；當(dāng) 3時(shí)，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(jì)算：設(shè)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(shè)定Rf=9.1k,R1=15k；為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)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(shè)計(jì)（1） 帶通濾波器特性 帶通濾波器只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制，注意：要將高通的下限截止頻率設(shè)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(jì)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(shè)