二階低通濾波器電路設(shè)計(jì)

1、目 錄摘要1 理論學(xué)習(xí)11.1 PROTEL DXP2004簡(jiǎn)介11.2使用PROTEL設(shè)計(jì)電路21.3 濾波的概念42 電路設(shè)計(jì)53 電路仿真結(jié)果63.1 仿真電路圖63.2 輸入Vi和輸出Vo波形63.3 幅頻特性曲線74 生成網(wǎng)絡(luò)表75 制作PCB95.1 調(diào)整Room區(qū)域95.2 排列元器件105.3 繪制電路板電氣邊界105.4 PCB成圖116 元器件清單11心得體會(huì)12參考文獻(xiàn)131 理論學(xué)習(xí)1.1 PROTEL DXP2004簡(jiǎn)介Altium公司作為EDA領(lǐng)域里的一個(gè)領(lǐng)先公司，在原來(lái)Protel 99SE的基礎(chǔ)上，應(yīng)用最先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)方法，率先推出了一款基于Windows200

2、0和Windows XP操作系統(tǒng)的EDA設(shè)計(jì)軟件Protel DXP。Protel DXP在前版本的基礎(chǔ)上增加了許多新的功能。新的可定制設(shè)計(jì)環(huán)境功能包括雙顯示器支持，可固定、浮動(dòng)以及彈出面板，強(qiáng)大的過(guò)濾和對(duì)象定位功能及增強(qiáng)的用戶界面等。Protel DXP是第一個(gè)將所有設(shè)計(jì)工具集于一身的板級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，電子設(shè)計(jì)者從最初的項(xiàng)目模塊規(guī)劃到最終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)都可以按照自己的設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)。Protel DXP運(yùn)行在優(yōu)化的設(shè)計(jì)瀏覽器平臺(tái)上，并且具備當(dāng)今所有先進(jìn)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能夠處理各種復(fù)雜的PCB設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)設(shè)計(jì)輸入仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)渥詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)融合，Protel DXP

3、提供了全面的設(shè)計(jì)解決方案。Protel DXP2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的電路設(shè)計(jì)軟件，該軟件能實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)，頂層設(shè)計(jì)直到輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及這之間的所有分析驗(yàn)證和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理。當(dāng)前比較流行的Protel 98、Protel 99 SE，就是它的前期版本。Protel DXP 2004已不是單純的PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)工具，而是由多個(gè)模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是SCH（原理圖）設(shè)計(jì)、SCH（原理圖）仿真、PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)、Auto Router（自動(dòng)布線器）和FPGA設(shè)計(jì)等，覆蓋了以PCB為核心的整個(gè)物理設(shè)計(jì)。該軟件將項(xiàng)目管理方式、原理圖和PCB圖的雙向同步技

4、術(shù)、多通道設(shè)計(jì)、拓樸自動(dòng)布線以及電路仿真等技術(shù)結(jié)合在一起，為電路設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。與較早的版本Protel99相比，Protel DXP 2004不僅在外觀上顯得更加豪華、人性化，而且極大地強(qiáng)化了電路設(shè)計(jì)的同步化，并提供對(duì)Protel99se下創(chuàng)建的DDB和庫(kù)文件導(dǎo)入功能，還增加了P-CAD,OrCAD PADS PCB等軟件的設(shè)計(jì)文件和庫(kù)的導(dǎo)入,AutoCAD和其它軟件的文件導(dǎo)入和導(dǎo)出功能，同時(shí)整合了VHDL和FPGA設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其功能大大加強(qiáng)了。1.2使用PROTEL設(shè)計(jì)電路一、 新建設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件在WINDOWS雙擊Protel圖標(biāo)，點(diǎn)擊File(文件)中new項(xiàng)，新建設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。選取

5、需要存儲(chǔ)的文件夾，然后點(diǎn)擊OK即可建立自己的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。1、設(shè)計(jì)組（Design Team）先在Design Team 中設(shè)定設(shè)計(jì)小組成員，Protel可在一個(gè)設(shè)計(jì)組中進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，所有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)計(jì)組特性都由設(shè)計(jì)組控制。定義組成員和設(shè)置他們的訪問(wèn)權(quán)限都在設(shè)計(jì)管理器中進(jìn)行，確定網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型和網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家獨(dú)立性不需求助于網(wǎng)絡(luò)管理員。2、回收站（Recycle Bin）相當(dāng)于Windows中的回收站，所有在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除的文件，均保存在回收站中，可以找回由于誤造作而刪除的文件3、設(shè)計(jì)管理器（document.）所有Protel設(shè)計(jì)文件都被儲(chǔ)存在唯一的綜合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并顯示在唯一的綜合設(shè)計(jì)編輯窗口。在

6、Protel中與設(shè)計(jì)的接口叫設(shè)計(jì)管理器。使用設(shè)計(jì)管理器，可以進(jìn)行對(duì)設(shè)計(jì)文件的管理編輯、設(shè)置設(shè)計(jì)組的訪問(wèn)權(quán)限和監(jiān)視對(duì)設(shè)計(jì)文件的訪問(wèn)。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)組織按分層結(jié)構(gòu)文件夾建立的文件顯示在右邊的個(gè)人安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)有一文件夾叫設(shè)計(jì)文件，這個(gè)文件夾中是主設(shè)計(jì)文件(原理圖和PCB)，還有許多的子文件夾，包括了PCB裝配文件、報(bào)告和仿真分析。這里對(duì)在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建文件夾的分層深度沒(méi)有限制。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)存儲(chǔ)Protel設(shè)計(jì)文件沒(méi)有限制你能輸入任何類(lèi)型的設(shè)計(jì)文件進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，如在MSWord書(shū)寫(xiě)的報(bào)告、在MS Excel準(zhǔn)備的費(fèi)用清單和AutoCAD中制的機(jī)械圖。簡(jiǎn)單雙擊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)里的文件圖標(biāo)，在適當(dāng)?shù)木庉嬈?/p>

7、打開(kāi)文件，被更新的文件自動(dòng)地保存到設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。MS Word和Excel文件可以在設(shè)計(jì)管理器中直接編輯。設(shè)計(jì)管理器的心臟就是左邊的導(dǎo)航面板。面板顯示的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)是大家熟悉的Protel軟件特性。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中打開(kāi)的各個(gè)文件用卡片分隔顯示在同一個(gè)設(shè)計(jì)編輯窗口，使得非常容易知道當(dāng)前工作到哪里，特別在大的設(shè)計(jì)中。要一起觀察不同的文件可以將設(shè)計(jì)編輯窗口拆分為多區(qū)域。二、打開(kāi)和管理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)Protel包括許多設(shè)計(jì)例子，我們下面可以舉例說(shuō)明。選擇文件打開(kāi)菜單Design ExplorerExamplefolder，點(diǎn)擊photoplotter.ddb文件，左側(cè)窗口呈現(xiàn)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。點(diǎn)“”呈現(xiàn)下一層子目錄或文件

8、，點(diǎn)“”將關(guān)閉此文件夾點(diǎn)Photohead.pcb文件，PCB版圖將出現(xiàn)，點(diǎn)Photohead.prj,原理圖管理文件將被打開(kāi)關(guān)閉文件，可以用鼠標(biāo)右鍵，選擇Close.也可以用CTRL+F4來(lái)關(guān)閉。三、觀看多個(gè)設(shè)計(jì)文檔打開(kāi)Photoplotte.ddb設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，點(diǎn)“”找到Electronics和Photohead文件夾，打開(kāi)Photohead Parts list 設(shè)計(jì)窗口，用同樣方法打開(kāi)Photohead.pcb文件和Photohead. prj文件在Photohead Parts List窗口下?lián)羰髽?biāo)右鍵，選擇“Split Horizontal”菜單，界面將被水平分割。在Photohea

9、d.prj設(shè)計(jì)窗口下點(diǎn)右鍵，選Split Vertical 菜單。界面將被垂直分割可以用鼠標(biāo)調(diào)整分割窗口的大小。要想分割更多的窗口，可重復(fù)上述操作。按Ctrl+Tab可循環(huán)切換打開(kāi)的設(shè)計(jì)文件，按Shift+Tab可在導(dǎo)航板和設(shè)計(jì)窗口中有效文件夾的內(nèi)容間切換。四、多圖紙?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)原理圖設(shè)計(jì)有多種組織圖紙方案的方法?？梢杂蓡我粓D紙組成或由多張關(guān)聯(lián)的圖紙組成，不必考慮圖紙?zhí)枺瑢⒚恳粋€(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的方案。設(shè)計(jì)可以包括模塊化元件，這些模塊化元件可以建立在獨(dú)立的圖紙上，然后與主圖連接。作為獨(dú)立的維護(hù)模塊允許幾個(gè)工程師同時(shí)在同一方案中工作，模塊也可被不同的方案重復(fù)使用。便于設(shè)計(jì)者利用小尺寸的打印設(shè)備（如激

10、光打印機(jī)）。下面舉例說(shuō)明：打開(kāi)LCD Controller.ddb 設(shè)計(jì)文件，打開(kāi)LCD Controller.prj原理圖設(shè)計(jì)窗口。我們看到許多綠色矩形框，叫做原理圖模塊，每一個(gè)原理圖模塊里包含一張圖紙，一個(gè)總的原理圖可以包含多個(gè)子原理圖。選擇"Design"下的"Create Sheet From Symbols "由符號(hào)生成圖紙，如果已經(jīng)畫(huà)好原理圖，選"Design"下的"Create Symbol Form Sheet"由圖紙生成符號(hào)。利用工具條上的點(diǎn)取輸入端口，可以在總的原理圖與子原理圖之間切換。五、原理

11、圖連線設(shè)計(jì)確定起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，Protel就會(huì)自動(dòng)地在原理圖上連線，從菜單上選擇"Place/Wire"后，按空格鍵切換連線方式，自動(dòng)連線、任意角度、45°連線、90°連線，使得設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)更加輕松自如。只要簡(jiǎn)單地定義AutoWire方式。自動(dòng)連線可以從原理圖的任何一點(diǎn)進(jìn)行，不一定要從管腳到管腳。1.3 濾波的概念濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)富立葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無(wú)限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說(shuō)，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線

12、性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。實(shí)際上，任何一個(gè)電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度（對(duì)信號(hào)最高頻率的限制），頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個(gè)基本特點(diǎn)。而濾波器，則是根據(jù)電路參數(shù)對(duì)電路頻帶寬度的影響而設(shè)計(jì)出來(lái)的工程應(yīng)用電路。用模擬電子電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時(shí)，是把信號(hào)看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號(hào)，通過(guò)選擇不同的頻率成分來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。當(dāng)允許信號(hào)中較高頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾

13、波器叫做高通濾波器。當(dāng)允許信號(hào)中較低頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做低通濾波器。當(dāng)只允許信號(hào)中某個(gè)頻率范圍內(nèi)的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做帶通濾波器。對(duì)于濾波器，增益幅度不為零的頻率范圍叫做通頻帶，簡(jiǎn)稱(chēng)通帶，增益幅度為零的頻率范圍叫做阻帶。通帶所表示的是能夠通過(guò)濾波器而不會(huì)產(chǎn)生衰減的信號(hào)頻率成分，阻帶所表示的是被濾波器衰減掉的信號(hào)頻率成分。通帶內(nèi)信號(hào)所獲得的增益，叫做通帶增益，阻帶中信號(hào)所得到的衰減，叫做阻帶衰減。在工程實(shí)際中，一般使用dB作為濾波器的幅度增益單位。本次課設(shè)要設(shè)計(jì)的是低通濾波器，而低通濾波器的基本電路特點(diǎn)是，只允許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)。2 電路設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器的特

14、點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。 在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波得圖上,從某一邊界角頻率開(kāi)始,振幅隨著角頻率的增加而逐步減少,趨向負(fù)無(wú)窮大。一階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻6分貝，每十倍頻20分貝。二階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻12分貝、 三階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻18分貝、如此類(lèi)推。巴特沃斯濾波器的振幅對(duì)角頻率單調(diào)下降，并且也是唯一的無(wú)論階數(shù)，振幅對(duì)角頻率曲線都保持同樣的形狀的濾波器。只不過(guò)濾波器階數(shù)越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快。其他濾波器高階的振幅對(duì)角頻率圖和低級(jí)數(shù)的振幅對(duì)角頻率有不同的形狀。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的只是二階的低通濾波，所以采用二

15、階低通巴特沃斯濾波電路。如圖2-1設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的二階有源RC低通濾波器，濾波器截止頻率設(shè)定在20KHz。圖2-1低通濾波電路3 電路仿真結(jié)果3.1 仿真電路圖仿真時(shí)對(duì)電路圖略作了一些修改，主要是加入了激勵(lì)源，便于仿真。圖3-1 仿真時(shí)用電路圖3.2 輸入Vi和輸出Vo波形圖3-2 輸入Vi和輸出Vo波形3.3 幅頻特性曲線圖3-3 幅頻特性4 生成網(wǎng)絡(luò)表C1RAD-0.3CapC2RAD-0.3CapP1HDR1X2Header 2P2HDR1X2Header 2R1AXIAL-0.4Res2R2AXIAL-0.4Res2R3AXIAL-0.4Res2R4AXIAL-0.4Res2U2D00

16、8_LLF353D(GNDC2-2P1-2P2-2R3-2)(NetC1_1C1-1R1-2R2-1)(NetC1_2C1-2R4-1)(NetC2_1C2-1R2-2U2-3)(NetP1_1P1-1R1-1)(NetP2_1P2-1U2-1)(NetR3_1R3-1R4-2U2-25 制作PCB5.1 調(diào)整Room區(qū)域自動(dòng)更新生成的PCB設(shè)計(jì)文檔中，自動(dòng)命名了一個(gè)Room區(qū)域，所有的元器件都包含在這個(gè)區(qū)域。在該區(qū)域中按住左鍵即選中區(qū)域和所有元器件，將元器件移動(dòng)到PCB版內(nèi)，單擊Room區(qū)域，修改成合適的大小。5.2 排列元器件單擊需要移動(dòng)的元件，然后單擊工具欄中的“+”按鈕，再選中該元件即

17、可將它移到合適的位置。按照以上的步驟逐一移動(dòng)各個(gè)元件，最后得到元件的布局。5.3 繪制電路板電氣邊界在PCB設(shè)計(jì)工作區(qū)的下面，單擊“Keep-out Layer”，進(jìn)入布線層。選擇“放置”“直線”命令，在適當(dāng)?shù)奈恢米銎鹗键c(diǎn)，最后單擊左鍵結(jié)束，然后以同樣的方法繪制整個(gè)電路板的邊界。5.4 PCB成圖圖5-1 布線后的PCB圖6 元器件清單圖6-1 元器件清單心得體會(huì)在畫(huà)家眼里，設(shè)計(jì)是一幅清明上河圖或是一幅向日葵；在建筑師眼中，設(shè)計(jì)是昔日鎏金般的圓明園或是今日一塑自由女神像；在電子工程師心中，設(shè)計(jì)是貝爾實(shí)驗(yàn)室的電話機(jī)或是華為的程控交換機(jī)。凡此種種，但凡涉及設(shè)計(jì)都是一件美好的事情，因?yàn)樗芙o人以美的

18、幻想，因?yàn)樗芙o人以金般財(cái)富，因?yàn)樗芙o人以成就之感，更為現(xiàn)實(shí)的是她能給人以成長(zhǎng)以及成長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)，而這種營(yíng)養(yǎng)更是一種福祉，一輩子消受不竭享用不盡。我就是以此心態(tài)對(duì)待此次PROTEL課程設(shè)計(jì)的，所謂“態(tài)度決定一切”，于是偶然又必然地收獲了諸多，概而言之，大約以下幾點(diǎn)： 溫故而知新。課程設(shè)計(jì)發(fā)端之始，思緒全無(wú)，舉步維艱，對(duì)于理論知識(shí)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)的我深感“書(shū)到用時(shí)方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請(qǐng)教，終于熟練掌握了基本理論知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計(jì)的靈感。 思路即出路。當(dāng)初沒(méi)有思路，誠(chéng)如舉步維艱，茫茫大地，不見(jiàn)道路。在對(duì)理論知識(shí)梳理掌握之后，茅塞頓開(kāi)，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“條條大路通羅馬”。頓悟，沒(méi)有思路便無(wú)出路，原來(lái)思路即出路。 實(shí)踐出真知。文革