及Cadence實訓(xùn)課程設(shè)計——高階有源濾波器設(shè)計吳中臣1

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 電子1003班 指導(dǎo)教師： 葛華 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 高階有源濾波器設(shè)計初始條件：計算機、Proteus軟件、Cadence軟件要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計工作量：2周2、技術(shù)要求：（1）學(xué)習(xí)Proteus軟件和Cadence軟件。（2）設(shè)計二階、四階有源濾波器電路。（3）利用Cadence軟件對該電路設(shè)計原理圖并進(jìn)行PCB制版，用Proteus軟件對該電路進(jìn)行仿真。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)

2、范。時間安排：2014.11.11做課設(shè)具體實施安排和課設(shè)報告格式要求說明。201-11.16學(xué)習(xí)Proteus軟件和Cadence軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計內(nèi)容的基本理論知識。201-11.21對所設(shè)計的濾波器電路進(jìn)行設(shè)計仿真工作，完成課設(shè)報告的撰寫。2014.11.22 提交課程設(shè)計報告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要IAbstractII1緒論12 設(shè)計內(nèi)容及要求22.1設(shè)計的目的及主要任務(wù)22.2 設(shè)計思想23 Proteus軟件和Cadence軟件的介紹33.1 Proteus軟件3進(jìn)入Proteus ISIS33.1.2 工作

3、界面33.1.3 繪圖主要操作33.2 Cadence軟件6電路的設(shè)計步驟6電路PCB的設(shè)計步驟64 二階、四階有源濾波器電路原理84.1 二階有源濾波器84.2 四階有源濾波器105 二階、四階有源濾波器電路的設(shè)計與仿真125.1 電路原理圖的設(shè)計125.2 電路的仿真125.3 電路的PCB設(shè)計146 心得體會16參考文獻(xiàn)17摘要濾波器用于對信號的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，有源濾波器被廣泛用于信息處理、數(shù)據(jù)傳送等電路中。在對二階有源低通濾波器的原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用2個2階低通濾波電路級聯(lián)的方案，設(shè)計了基于巴特沃斯逼近的4階有源低通濾波器。在Protu

4、es軟件中使用虛擬示波器、波特圖示儀等設(shè)備，對設(shè)計的濾波器的交流特性進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，其交流特性符合理論設(shè)計，具有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：濾波器，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 a specific range offrequency throughSource filter is widely used for information processing and d

5、ata transmission circuitBased on the analysis of principle of 2nd Source low passed filter，by using the Scheme of cascading two 2nd source low-passed filter and themethod of examining the table，the 4nd source low-passed filter based on Butterworth is designedBy using the oscilloscopeand Bode plotter

6、 in Protues，the AC Features of this Filter was Simulated，and the sim ulation results were analyzed，it SAC features met with theory design and has certain reference valueKey words: Source lowpassed filter，Butterworth，Protues1 緒論濾波器用于對信號的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而阻止其他頻率的信號通過。有源濾波器具有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、易于制造

7、等優(yōu)點，因此被廣泛用于信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等電路中。低通濾波器分為無源和有源兩種。無源濾波器是由電感、電容及電阻構(gòu)成的，由于受到尺寸和實際性能的限制，電感在某些頻率范圍不太適用，因此，近幾年來有一種趨向, 即用能模擬電感效應(yīng)的有源器件來代替電感。幾種低通原型濾波器是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計濾波器的基礎(chǔ)，各種低通、高通、帶通、帶阻濾波器大都是根據(jù)此特性推導(dǎo)出來的。正因如此，才使得濾波器的設(shè)計得以簡化，精度得以提高。 理想的低通濾波器應(yīng)該能使所有低于截止頻率的信號無損通過，而所有高于截止頻率的信號都應(yīng)該被無限的衰減，從而在幅頻特性曲線上呈現(xiàn)矩形，故而也稱為矩形濾波器（brick- wallfil

8、ter）。遺憾的是，如此理想的特性是無法實現(xiàn)的，所有的設(shè)計只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。根據(jù)所選的逼近函數(shù)的不同，可以得到 不同的響應(yīng)。雖然逼近函數(shù)多種多樣，但是考慮到實際電路的使用需求，我們通常會選用“巴特沃斯響應(yīng)”或“切比雪夫響應(yīng)”。 “巴特沃斯響應(yīng)”帶通濾波器具有平坦的響應(yīng)特性，而“切比雪夫響應(yīng)”帶通濾波器卻具有更陡的衰減特性。所以具體選用何種特性，需要根據(jù)電路或系統(tǒng)的具體要求而定。2 設(shè)計內(nèi)容及要求2.1設(shè)計的目的及主要任務(wù)（1）學(xué)習(xí)Proteus軟件和Cadence軟件。（2）設(shè)計二階、四階有源濾波器電路。（3）利用Cadence軟件對該電路設(shè)計原理圖并進(jìn)行PCB制版，用Pr

9、oteus軟件對該電路進(jìn)行仿真。2.2 設(shè)計思想本課程設(shè)計的課題是二階、四階有源高階濾波器。首先，根據(jù)老師給定的課程設(shè)計的任務(wù)和要求，選定一款集成運算放大器，再根據(jù)技術(shù)要求選擇其它元器件，設(shè)計出外圍電路，并設(shè)計出整體電路的電路圖及其各元件的參數(shù)，同時要給出其工作原理；第二步，對設(shè)計出的電路圖進(jìn)行仿真。通過仿真軟件Protues對所設(shè)計的電路的進(jìn)行瞬態(tài)分析測試和交流掃描以及其它必要仿真，并進(jìn)行分析，確定電路設(shè)計的正確性和可行性；最后,第三步把仿真結(jié)果與理論指標(biāo)進(jìn)行對比分析，并對設(shè)計成果作出評價.為了得到高的帶寬，可優(yōu)先考慮帶寬增益積大的運放，同時為了減少噪聲，可選用低噪聲運放。3 Proteus

10、軟件和Cadence軟件的介紹3.1 Proteus軟件 進(jìn)入Proteus ISIS雙擊桌面上的ISIS 6 Professional圖標(biāo)或者單擊屏幕左下方的“開始”“程序”“Proteus 6 Professional”“ISIS 6 Professional”，進(jìn)入Proteus ISIS集成環(huán)境。3.1.2 工作界面Proteus ISIS的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的Windows界面，如圖3-1所示。包括：標(biāo)題欄、主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對象選擇按鈕、預(yù)覽對象方位控制按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口。圖3-1工作界面3.1.3 繪圖主要操作 編

11、輯區(qū)域的縮放如圖3-1所示主窗口是一個標(biāo)準(zhǔn)Windows窗口，除具有選擇執(zhí)行各種命令的頂部菜單和顯示當(dāng)前狀態(tài)的底部狀態(tài)條外，菜單下方有兩個工具條，包含與菜單命令一一對應(yīng)的快捷按鈕，窗口左部還有一個工具箱，包含添加所有電路元件的快捷按鈕。工具條、狀態(tài)條和工具箱均可隱藏。Proteus的縮放操作多種多樣，極大地方便了工程項目的設(shè)計。常見的幾種方式有：完全顯示(或者按“F8”)、放大按鈕(或者按“F6”)和縮小按鈕(或者按“F7”)，拖放、取景、找中心 (或者按“F5”)。3.1.3.2 點狀柵格和刷新編輯區(qū)域的點狀柵格，是為了方便元器件定位用的。鼠標(biāo)指針在編輯區(qū)域移動時，移動的步長就是柵格的尺度，

12、稱為“Snap(捕捉)”。這個功能可使元件依據(jù)柵格對齊。(1) 顯示和隱藏點狀柵格點狀柵格的顯示和隱藏可以通過工具欄的按鈕或者按快捷鍵的“G”來實現(xiàn)。鼠標(biāo)移動的過程中，在編輯區(qū)的下面將出現(xiàn)柵格的坐標(biāo)值，即坐標(biāo)指示器，它顯示橫向的坐標(biāo)值。因為坐標(biāo)的原點在編輯區(qū)的中間，有的地方的坐標(biāo)值比較大，不利于我們進(jìn)行比較。此時可通過點擊菜單命令“View”下的“Origin”命令，也可以點擊工具欄的按鈕或者按快捷鍵“O”來自己定位新的坐標(biāo)原點。(2) 刷新編輯窗口顯示正在編輯的電路原理圖，可以通過執(zhí)行菜單命令“View”下的“Redraw”命令來刷新顯示內(nèi)容，也可以點擊工具欄的刷新命令按鈕回或者快捷鍵“R”

13、，與此同時預(yù)覽窗口中的內(nèi)容也將被刷新。它的用途是當(dāng)執(zhí)行一些命令導(dǎo)致顯示錯亂時，可以使用該命令恢復(fù)正常顯示。3.1.3.3 對象的放置和編輯(1) 對象的添加和放置點擊工具箱的元器件按鈕，使其選中，再點擊IsIs對象選擇器左邊中間的置P按鈕，出現(xiàn)“Pick Devices” 對話框，如圖2-3所示。在這個對話框里可以選擇元器件和一些虛擬儀器。下面以添加單片機AT89C51為例來說明怎么把元器件添加到編輯窗口的。在“Gategory(器件種類)”下面，找到“MicoprocessorIC”選項，鼠標(biāo)左鍵點擊一下，在對話框的右側(cè)，會顯示大量常見的各種型號的單片機芯片型號。找到單片機AT89C51，雙

14、擊“AT89C51”，情形如圖2-3所示。這樣在左邊的對象選擇器就有了AT89C51這個元件了。點擊一下這個元件，然后把鼠標(biāo)指針移到右邊的原理圖編輯區(qū)的適當(dāng)位置，點擊鼠標(biāo)的左鍵，就把AT89C51放到了原理圖區(qū)。圖3-2 元件的選擇(2) 放置電源及接地符號單擊工具箱的終端按鈕，對象選擇器中將出現(xiàn)一些接線端。在器件選擇器里分別 “TERMNALS”欄下的“POWER”與“ GROUND”，再將鼠標(biāo)移到原理圖編輯區(qū)，左鍵點擊一下即可放置電源符號；同樣也可以把接地符號放到原理圖編輯區(qū)。3.1.3.4 連線Proteus的智能化可在畫線時進(jìn)行自動檢測：當(dāng)鼠標(biāo)的指針靠近一個對象的連接點時，跟著鼠標(biāo)的指

15、針就會出現(xiàn)一個“”號，鼠標(biāo)左鍵點擊元器件的連接點，移動鼠標(biāo)(不用一直按著左鍵)就出現(xiàn)了粉紅色的連接線變成了深綠色。如果想讓軟件自動定出線路徑,只需左擊另一個連接點即可。這就是Proteus的線路自動路徑功能(簡稱WAR)，如果只是在兩個連接點用鼠標(biāo)左擊，WAR將選擇一個合適的線徑。WAR可通過使用工具欄里的“WAR”命令按鈕來關(guān)閉或打開，也可以在菜單欄的“Tools”下找到這個圖標(biāo)。3.2 Cadence軟件3.2.1電路的設(shè)計步驟1、進(jìn)入Tanner環(huán)境，選擇L-Edit模塊，進(jìn)入原理圖編輯模塊2、點擊File-New，新建原理圖Module，填入文件名，如下圖所示：圖 3-3 新建Modu

16、le文件3、根據(jù)邏輯電路圖繪制電氣原理圖，選擇添加元件按鈕添加元件，選擇電線按鈕繪制導(dǎo)線。 3.2.2電路PCB的設(shè)計步驟相對于原理圖的設(shè)計來說，PCB設(shè)計是項目的后端。本文中PCB設(shè)計是從Capture CIS輸出到PCB Editor環(huán)境中開始的，并由原理圖設(shè)計來約束、決定。PCB的設(shè)計流程主要分為準(zhǔn)備工作、網(wǎng)表輸入、布局、布線、設(shè)計檢查、設(shè)計輸出幾個步驟。(1) 準(zhǔn)備工作在PCB Editor設(shè)計環(huán)境下，需要進(jìn)行的準(zhǔn)備工作有，加載所需封裝庫，即和原理圖各元件屬性相對應(yīng)的器件封裝、加載所需焊盤、創(chuàng)建所需的符號(包括機械、規(guī)格等)。(2) 網(wǎng)表輸入在PCB Editor設(shè)計界面，打開*.br

17、d的PCB文件后，首先要用FileImportlogic命令輸入由原理圖生成的網(wǎng)絡(luò)表文件。在網(wǎng)表輸入無誤之后，設(shè)計中所需元件及其電氣連接關(guān)系就全部加載到PCB編輯界面了。(3) PCB的布局在布局布線開始之前，要設(shè)計好PCB的板框，即Outline。如果沒有Outline，元器件將無法放置。另外，需要設(shè)定PCB的疊層，制定PCB的設(shè)計約束和規(guī)則，如不同種類信號線的寬度，走線間距，過孔尺寸，走線顏色等等。利用手動或者自動放置方法將元器件一一加載到PCB板框周圍后，接下來進(jìn)行元器件的布局。在PCB設(shè)計中，布局是一個重要環(huán)節(jié)，布局好壞將直接影響布線的效果以及最終產(chǎn)品的電氣性能。Allegro布局的方

18、式分為交互式布局和自動布局，但在使用過程中普遍采用的仍然是交互式布局。交互式布局時，應(yīng)遵守以下的原則：1)首先要完成需要定位元件的定位，再按照“先大后小，先難后易”的原則進(jìn)行布局;2)參考原理圖，以功能單元的核心元件為中心，圍繞核心元件進(jìn)行布局;3)總的連線盡可能短，關(guān)鍵信號線最短;高電壓、大電流信號與小電流、低電壓弱信號完全分開;模擬與數(shù)字信號分開;高頻與低頻信號分開;高頻元件的間隔要充分;4)BGA與相鄰元件的距離5mm，其它貼片元件相互間的距離0.7mm;貼裝元件焊盤的外側(cè)與相鄰插裝元件的外側(cè)距離大于2mm;5)使用同一種電源的器件盡量放在一起，以便于電源分隔;6)發(fā)熱元件一般應(yīng)均勻分布

19、，以利于單板和整機的散熱。7)整體布局應(yīng)考慮焊接方式和焊接方向，按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化布局。(4) PCB布線布線是將邏輯連接轉(zhuǎn)換為物理連接的過程，包括連線、過孔、焊盤、弧線、填充、多邊形覆銅和電源層等。布線方式分為自動布線和交互式布線兩種。在對PCB的元器件進(jìn)行合理的布局后，點擊RouteConnect命令，開始進(jìn)行手動布線。布線時要優(yōu)先處理好電源和地的導(dǎo)線，再處理重要的信號線如高速、時鐘信號線，最后處理普通信號線。在相鄰的兩層，要選擇相互垂直的方向來布線，盡量縮短線與線之間的平行距離。4 二階、四階有源濾波器電路原理4.1 二階有源濾波器4.1.1 濾波器的介紹濾波器是

20、一種能使有用信號通過，濾除信號中的無用頻率，即抑制無用信號的電子裝置。有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。低通濾波器是一個通過低頻信號而衰減或抑制高頻信號的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。但實際濾波器不能達(dá)到理想要求。為了尋找最佳的近似理想特性，本文主要著眼于幅頻響應(yīng)，而不考慮相頻響應(yīng)。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(luò)節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級聯(lián)而成。對于n為偶數(shù)的高階濾波器，可以由n/2節(jié)二階

21、濾波器級聯(lián)而成；而n為奇數(shù)的高階濾波器可以由(n-1)/2節(jié)二階濾波器和一節(jié)一階濾波器級聯(lián)而成，因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的基礎(chǔ)。4.1.2 有源濾波器的設(shè)計有源濾波器的設(shè)計，就是根據(jù)所給定的指標(biāo)要求，確定濾波器的階數(shù)n，選擇具體的電路形式，算出電路中各元件的具體數(shù)值，安裝電路和調(diào)試，使設(shè)計的濾波器滿足指標(biāo)要求，具體步驟如下：（1）根據(jù)阻帶衰減速率要求，確定濾波器的階數(shù)n。（2）選擇具體的電路形式。（3）根據(jù)電路的傳遞函數(shù)和歸一化濾波器傳遞函數(shù)的分母多項式，建立起系數(shù)的方程組。（4）解方程組求出電路中元件的具體數(shù)值。（5）安裝電路并進(jìn)行調(diào)試，使電路的性能滿足指標(biāo)要求。根據(jù)設(shè)計要求，

22、我選擇巴特沃斯濾波器。巴特沃斯濾波器的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性，但是通帶到阻帶衰減較慢。選擇二階有源低通濾波器電路，即n=2。有源2階低通濾波器電路如圖1.1所示，壓控電壓源二階濾波器電路的特點是：運算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出的阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個電壓源，其優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)整。圖4-1 有源低通濾波器電路圖在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引入一個負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號頻率ffc時（fc 為截止頻率），電路的每級RC 電路的相移趨于-90，兩級RC 電路的移相到-180，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時通過電容

23、C引到集成運放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號將起著削弱輸入信號的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號通過。巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性為： ， n=1，2，3，. . . （4-1） （4-2）（4-3）Butterworth的二階歸一化傳遞函數(shù)為：H（s）=1/(s*s+1.414*s+1)；它的化歸一化傳遞函數(shù)可以表示成兩個多項式的比:A(s) （4-4）其中Auo為通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，wC為截止角頻率，Q為品質(zhì)因子。從（1）式中可知，當(dāng)w=0時，（1）式有最大值1；w=wC時，（1）式等于0.707，即Au衰減了3dB；

24、； （4-5） （4-6）簡化電路圖如下：圖4-2 二階有源濾波器簡化電路圖4.2 四階有源濾波器4階有源低通濾波器可以由2個2階低通濾波器級聯(lián)組成，其基本電路圖如圖3所示。設(shè)計4階巴特沃思低通濾波器的傳遞函數(shù)，用2個2階巴特沃思低通濾波器構(gòu)成1個4階巴特沃恩低通濾波器，其傳遞函數(shù)為： （4-7）為了簡化計算，其參數(shù)滿足如下條件： （4-8）（4-9）選取C=0.01uF，可算得R=796。4階巴特沃思低通濾波器2個阻尼系數(shù)為：-0.765,1.848，由此算得兩個零頻增益為：（4-10）（4-11）則傳遞函數(shù)為：（4-12）可以選擇兩個2階巴特沃斯低通濾波器級聯(lián)組成。增益分別為：（4-13）

25、（4-14）對于第一級，若選取R3=61K，則R4=9.27K；對于第二級，若選取R7=20K，則R4=24.7K。圖4-3 4階低通濾波器基本電路5 二階、四階有源濾波器電路的設(shè)計與仿真5.1 電路原理圖的設(shè)計經(jīng)過上述軟件的使用步驟以及電路的原理，設(shè)計出入下圖的電路圖。圖5-1 2階有源濾波器原理圖圖5-2 4階有源濾波器原理圖5.2 電路的仿真在proteus上對電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下所示：圖5-32階低通有源濾波器波形圖圖5-4 2階低通有源濾波器波特圖圖5-5 4階低通有源濾波器波形圖圖5-6 4階低通有源濾波器波特圖5.3 電路的PCB設(shè)計在Cadence上繪制電路圖并畫出相應(yīng)的

26、PCB，結(jié)果如下所示：圖5-72階低通有源濾波器PCB圖圖5-8 4階低通有源濾波器PCB圖6 心得體會這次課程設(shè)計，我們通過對知識的綜合利用，進(jìn)行必要的分析，比較，從而進(jìn)一步驗證了所學(xué)的理論知識，檢驗了我們平時的學(xué)習(xí)效果。雖然此次課程設(shè)計與實際操作分析還有很大的差距，但是它提高了我們綜合解決問題的能力，為我們以后的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。通過這次課程設(shè)計，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論知識的學(xué)習(xí)，在此次課程設(shè)計中，真正做到了自己查閱資料、自己解決問題，對示波器、濾波電路等都有了更深刻的理解。在設(shè)計的過程中，當(dāng)然也遇到了很多的困難，能過討論和查閱資料，逐一解決了這些問題。通過解決課程設(shè)計的這些難點，與其說是增加了的知識，不如說培養(yǎng)了我們一個積極的心態(tài)。當(dāng)遇到困難時，端正態(tài)度，認(rèn)