低通濾波器的設(shè)計

1、電子綜合課程設(shè)計課 程 名 稱 電子技術(shù)綜合課程設(shè)計 院（系） 機電學院 專業(yè) 電子科學與科技 班級 10電子（一）班 學號 201010330140 姓名 黃玉燕 指導老師 楊波 課程設(shè)計題目 低通濾波器的設(shè)計 程設(shè)計的內(nèi)容及要求： 一、設(shè)計說明設(shè)計一個低通濾波器。低通濾波器在工業(yè)現(xiàn)場主要用于信號的濾波，提高有效信號的信噪比。實際環(huán)境下的有效信號一般是傳感器輸出信號或通信傳輸?shù)男盘枴Ｄ壳半S著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，誕生了很多方便的設(shè)計軟件，例如：TI公司的FilterPro,就是一款很好的濾波器設(shè)計軟件，本次設(shè)計建議使用。二、技術(shù)指標1截止頻率10Hz，通帶增益20dB；截止帶增益-30dB。

2、三、設(shè)計要求1設(shè)計建議采用TI公司的FilterPro濾波器設(shè)計軟件。2輸入信號為正弦波，要求通過示波器觀測輸入輸出的相位差。3要求將輸出正弦波整形為方波并設(shè)計電路測量輸出方波信號頻率。4可以考慮頻率輸出信號與頻率測量電路之間增加光電隔離。5畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。四、實驗要求1根據(jù)技術(shù)指標制定實驗方案。2部分仿真或?qū)嶋H驗證所設(shè)計的電路。3進行實驗數(shù)據(jù)處理和分析。五、推薦參考資料1.姚福安. 電子電路設(shè)計與實踐M濟南：山東科學技術(shù)出版社，2001年2.閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). M北京：高等教育出版社，2006年3.劉貴棟主編.電子電路的Multisim仿真實踐M.哈爾濱

3、：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008年4.童詩白、華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),M北京：高等教育出版社，2007年.一、 概述 濾波器（filter），是一種用來消除干擾的器件，它的主要作用是讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。低通濾波器是一個可以通過低頻信號，但是對于高頻信號會產(chǎn)生抑制或衰減的部件。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。但是實際濾波器不能達到理想要求。本設(shè)計為低通濾波器，其用途為接收低頻信號并顯示其頻率。通過采用TI公司的FilterPro濾波器設(shè)計軟件，通過輸入截止頻率10

4、Hz，通帶增益20dB；截止帶增益-30dB后經(jīng)過自動分析處理后直接算出濾波器的性能及所有濾波器原件的值得到低通濾波器電路圖。將此低通濾波器輸出的正弦波信號通過施密特觸發(fā)器后，得到了與輸入正弦波頻率相同的方波。若想直接得到通過濾波器的信號頻率，可以通過設(shè)計電路測量輸出方波信號頻率，進而得到輸入信號的頻率并通過數(shù)碼管直接顯示出來一目了然。此濾波器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、淺顯易懂、可以直接讀取信號頻率。二、 方案論證本設(shè)計的方案為先通過采用TI公司的FilterPro濾波器設(shè)計軟件設(shè)計出符合條件的低通濾波器，然后與施密特觸發(fā)器相連，得到與輸入正弦波頻率相同的方波，最后設(shè)計一個方波頻率測量電路，測量其頻

5、率就可以得到輸入正弦波的頻率。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示數(shù)碼管顯示施密特觸發(fā)器方波頻率測量電路低通濾波器圖1功能框圖 本設(shè)計是由TI公司的FilterPro濾波器設(shè)計軟件直接設(shè)計生成的濾波器電路，F(xiàn)ilterPro是一款強大的濾波器設(shè)計軟件，研發(fā)時間斷、成本比較低、產(chǎn)品開發(fā)投放市場快。與其它的類型的濾波器不同的是，它支持三種最常見的全極點濾波器類型：巴特沃茲（最大幅度平坦度）、切比雪夫（等紋波幅度）及貝塞爾（最大延遲時間平坦度）。此軟件是經(jīng)過了一系列精確細致的運算，得到更為理想的低通濾波器，誤差范圍更小，產(chǎn)生效果更明顯，更易于大家認可和接受。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以將邊沿變

6、化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。具有科學性和正確性。本設(shè)計可以使用頻率低于10Hz的信號通過，經(jīng)過多次仿真測試，此濾波器滿足將輸入的正弦波通過施密特觸發(fā)器對信號整形為方波，然后將輸出方波信號通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器做定時器1s后測出通過方波的周期數(shù)即為該波的頻率，滿足了設(shè)計要求，經(jīng)過對信號進行處理后可通過數(shù)碼管可直接顯示出來。三、 電路設(shè)計1、 低通濾波器的設(shè)計 由TI公司的FilterPro濾波器設(shè)計軟件可直接設(shè)計生成低通濾波器，將軟件打開后，Step1首先選擇Lowpass低通濾波器，Next下一步到條件設(shè)定Step2，Gain (Ao):為通帶增益20dB，Allowable P

7、assband Ripple (Rp):默認為1db, Stopband Frequency (fs):截止頻率10Hz, Stopband Attenuation (Asb): 截止帶增益-30dB。將條件填寫完整后，Next下一步轉(zhuǎn)到Step3,Filter Response濾波器響應(yīng)方式：Gain(dB),Response Type反映類型:Butterworth。進入下一步Stept4：Filter Topology濾波器拓撲:Multiple-Feedback多反饋，最后Finish結(jié)束后生成濾波器電路圖如圖2：圖2生成濾波器電路圖2、 矩形波的產(chǎn)生 用555芯片設(shè)計的施密特觸發(fā)器電

8、路 如圖3施密特觸發(fā)器輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換取決于輸入信號的變化過程，即輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，對應(yīng)的輸入電平VT+與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平VT-不同，其中VT+稱為正向闊值電壓，VT-稱為負向闊值電壓。另外由于施密特觸發(fā)器內(nèi)部存在正反饋，所以輸出電壓波形的邊沿很陡。因此，利用施密特觸發(fā)器不僅能將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效的消除。QQ圖3 555構(gòu)成施密特觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)1、 當0時，由于比較器C1=1、C2=0，觸發(fā)器置1，即Q1 ， 11。升高時，在未到達2/3以前，11的狀態(tài)不會改變。 2

9、、（1）當0時，由于比較器C1=1、C2=0，觸發(fā)器置1，即Q1 ，uo11。升高時，在未到達2/3以前，11的狀態(tài)不會改變。 （2）升高到2/3時，比較器C1輸出為0、C2輸出為1，觸發(fā)器置0，即Q0 ，1=0。此后，上升到，然后再降低，但在未到達/3以前，uo10的狀態(tài)不會改變。 3、（1）當0時，由于比較器C1=1、C2=0，觸發(fā)器置1，即Q1 ，uo11。升高時，在未到達2/3以前，11的狀態(tài)不會改變。 （2）升高到2/3時，比較器C1輸出為0、C2輸出為1，觸發(fā)器置0，即Q0 ，1=0。此后，上升到，然后再降低，但在未到達/3以前，10的狀態(tài)不會改變。 （3）下降到2/3時，比較器C

10、1輸出為1、C2輸出為0，觸發(fā)器置1，即Q1 ，1=1。此后，繼續(xù)下降到0，但11的狀態(tài)不會改變。施密特觸發(fā)器產(chǎn)生的波形如圖4所示:圖4 施密特觸發(fā)器波形圖3、 由555定時器搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器所產(chǎn)生波形用于控制計數(shù)。其電路圖如圖5：圖5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路圖6單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖電路如圖5所示，由555定時器組成的單穩(wěn)觸發(fā)器，它既為下一級的多諧觸發(fā)器提供輸入脈沖，又為后面計數(shù)器開始計數(shù)提供信號脈沖。單穩(wěn)觸發(fā)器占空比為為了使計數(shù)器在單穩(wěn)觸發(fā)器高電平時開始計數(shù)，應(yīng)在單穩(wěn)波形后加一級反相器。4、數(shù)字頻率計測頻的基本原理所謂頻率，就是周期性信號在單位時間（1S）內(nèi)變化的次數(shù)，若在一定時間間隔T 內(nèi)測得這個周期

11、性信號的重復變化次數(shù)為N ，則其頻率可表示為 f=N/T時基電路的作用是產(chǎn)生一個標準時間信號(如高電平持續(xù)時間為1S）。當標準時間的精度要求高時，應(yīng)采用石英晶體振蕩器經(jīng)分頻獲得。本設(shè)計對精度沒作要求，故可采用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實現(xiàn)。四、 性能的測試若為輸出電壓最大值與輸入電壓最大值之比，則通帶增益=20log|頻率為110Hz時，通帶增益如表2表2頻率（Hz）12345678910電壓放大倍數(shù)7.497.647.898.458.628.869.129.629.879.98通帶增益（dB）17.4917.6617.9418.5318.7118.9519.2019.6619.8819.

12、98若為輸出電壓最大值與輸入電壓最大值之比，則截止帶增益=20log|頻率為1120Hz時，截止帶增益如表3表3頻率（Hz）11121314151617181920電壓放大倍數(shù)0.1860.1240.0830.0550.0350.0290.0210.0160.0120.009截至帶增益（dB）-14.61-18.11-21.61-25.12-28.22-30.50-33.54-36.09-38.12-40.58輸入信號頻率為7Hz時的波形如圖7所示圖7 輸入輸出波形輸入信號為正弦波，要求通過示波器觀測輸入輸出的相位差如表1表1 輸入輸出相位差輸入正弦波頻率（Hz)123456789輸入輸出相位

13、差 （度）38.274.9118.6173.2224.2270.9304.1327.2339.4輸入頻率為7Hz時的輸出顯示如圖8圖8 測試圖五、 結(jié)論根據(jù)多次實驗測試結(jié)果如下：本設(shè)計的濾波器只允許頻率低于10Hz的信號通過，經(jīng)過施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對信號的分析處理，數(shù)碼管直接顯示信號的頻率。根據(jù)任務(wù)書的設(shè)計指標，本設(shè)計基本滿足設(shè)計要求，測試結(jié)果正確，但是由于條件有限，考慮設(shè)計成本研發(fā)時間很短，本設(shè)計還存在不足之處，沒有一個程序員能設(shè)計出完美的程序，濾波器設(shè)計也是如此，都存在不足的地方。由于外部器件和其它因素，本設(shè)計測量時間稍長，存在一定的誤差。采用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器測量結(jié)果不

14、夠精確，當標準時間的精度要求高時，應(yīng)采用石英晶體振蕩器經(jīng)分頻獲得，程序需要進一步改善。六、 性價比性價比一直是人們購買物品時首要考慮的部分，本設(shè)計采用了555定時器，其價格便宜性能優(yōu)越，很適合低通濾波器的頻率測量環(huán)節(jié)，深受廣大用戶的親來。由TI公司的FilterPro濾波器設(shè)計軟件設(shè)計出的濾波器結(jié)構(gòu)簡單性能優(yōu)越，需要器件少，自然需要花費的金錢和精力會大大減少。七、 課設(shè)體會及合理化建議通過此次課程設(shè)計，使深深的感受到了知識力量的強大。該設(shè)計運用了我們學過的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的知識，通過查詢資料、數(shù)據(jù)整理，使我對這些知識有了更為深刻的了解。通過這次電子系統(tǒng)設(shè)計，我們掌握了設(shè)計一個數(shù)字電路

15、的基本方法和基本步驟，實際解決了設(shè)計中出現(xiàn)的問題，增強了尋找問題，解決問題的能力。此次電子設(shè)計的成功不僅幫助我們更好地掌握書本知識，尤其重要的是增強了我的自信，培養(yǎng)了我們獨立思考的能力！這次設(shè)計過程雖然經(jīng)歷了短短的兩周時間，但我們深深的磨礪了自己意志。有遇到困難不知如何處理時內(nèi)心的苦澀，也有排除困難后發(fā)自內(nèi)心的甜美，真是苦中有甜啊。通過這次課設(shè)讓我深深感受到了無論遇到任何困難要保持心態(tài)平靜，虛心查找問題所在的重要性。面對即將到來的考試和課設(shè)急需完成的壓力，我不停地告誡自己：不管發(fā)生了什么事，都要把眼前要處理的事情做好才是最重要的。做任何事都要認真不能分心，要做就要盡自己最大的努力做到最好。在這

16、過程中，我感受到了趙老師對學生的那種誨人不倦的精神，當我們遇到些不能解決的問題時，趙老師都給予我們一些建議并沒有直接告訴我們答案，鍛煉了我們的動手能力，讓我們越來越成熟，使我們少走彎路，順利完成設(shè)計任務(wù)，請允許我向你致意崇高的敬意，感謝老師！參考文獻1姚福安. 電子電路設(shè)計與實踐M濟南：山東科學技術(shù)出版社，2001年2閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). M北京：高等教育出版社，2006年3劉貴棟主編.電子電路的Multisim 仿真實踐M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008年4童詩白、華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),M北京：高等教育出版社，2007年.5沙占友、李學芝著 . 中外數(shù)字萬用表電路原理與維修技術(shù).附錄I 總電路圖附錄II 元器件清單序號編號名稱型號數(shù)量1U1、U2、U3集成運放LM358AD32XFG1信號發(fā)生器XFG13U5、U6555定時器TIMER-RATED