有源低通课设报告.docx
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有源低通课设报告
中北大学
课程设计说明书
学生姓名：
赵政学号：
1205094124
学生姓名：
陈燕文学号：
1205094139
学生姓名：
张帅学号：
1205094118
学院：
信息与通信工程学院
专业：
信息对抗技术专业
题目：
电子系统课程设计
子题目3：
设计一个有源低通滤波电路，要求倍频程衰减24dB，截止频率30kHz。
（3人合作完成）
指导教师：
张丕状王鉴姚金杰
2015年7月3日
中北大学
课程设计任务书
2014/2015学年第二学期
学院：
信息与通信工程学院
专业：
信息对抗技术专业
学生姓名：
赵政学号：
1205094124
学生姓名：
陈燕文学号：
1205094139
学生姓名：
张帅学号：
1205094118
题目：
电子信息系统设计
子题目3：
设计一个有源低通滤波电路，要求倍频程衰减24dB，截止频率30kHz。
（3人合作完成）
起迄日期：
2015年6月8日～2015年7月3日
课程设计地点：
信息对抗技术专业综合实验室
指导教师：
张丕状王鉴姚金杰
学科部主任：
张丕状
下达任务书日期:
2015年6月8日
课程设计任务书
1．设计目的：
（1）通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力；
（2）熟练使用示波器、信号源、万用表、频谱分析仪等仪器设备；
（3）通过电子信息系统设计的课程设计，掌握设计信息处理系统的思维方法和基本开发过程。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
（1）熟悉Multisim、ProtelDXP软件的使用
a、熟悉Multisim的运行环境；
b、掌握在Multisim平台上完成电路原理图的仿真；
c、熟悉ProtelDXP的运行环境；
d、掌握在ProtelDXP平台上完成电路原理图的绘制、pcb制版；
e、根据所选题目的需要，会正确设计电路，最终优化电路。
（2）实践设计要求：
a、根据所选题目，设计相应的电路；
b、根据设计的电路，完成电路仿真，根据仿真结果优化电路；
c、根据设计电路完成PCB制版，最终完成电路的研制。
（3）参考题目
题目1变频式射频密码锁控制软件
基本要求与目的：
●掌握压控振荡器原理、PLL原理和时钟调节的方法，掌握外围电路和接口了解可编程的概念
●增益带宽积、环路增益、稳定性原理、相频特性、幅频特性、阻抗匹配等含义，了解电流反馈运算放大器的特点
●调制解调的方式和调制解调电路、性能
●了解分布参数、地线布局电路性能的影响方式，掌握原理图和PCB的设计技巧
课程设计任务书
和能力
●了解单片机特性，掌握单片机选择和系统外围电路及其接口电路设计
●进一步了解软件无线电的概念
●学习计算机仿真技术，掌握示波器、信号源等常规仪器使用方法
●进一步学习资料查阅能力和PPT制作能力
子题目1：
研制宽带双路放大器，要求带宽>30M，增益40dB，输入阻抗和输出阻抗为75欧（3人）。
子题目2：
构建一单片机控制系统，要求具有不少于4个按键，产生一个具有低相位抖动时钟信号，频率在10-100M可调。
（2人+2人）
子题目3：
构建一个混频电路，工作带宽分别>30M（2人）
子题目4：
设计调制、解调电路模块（3人）。
题目2基于TDOA技术的被动声定位系统设计
基本要求与目的：
●了解被动声定位的基本原理；
●了解TDOA算法；
●了解前置放大器和AGC的工作原理；
●掌握有源滤波电路设计的基本工作原理；
●掌握定位精度与AD之间的关系；
●了解单片机特性，掌握单片机选择和系统外围电路及其接口电路设计
●学习掌握前置放大电路、AGC放大电路、滤波电路、数据采集存储电路；
●培养资料查阅能力和团队合作精神和组织能力
子题目1：
设计一个前置放大电路，前置放大倍数20dB（3人合作完成）。
子题目2：
设计一个AGC电路，要求增益控制范围40dB，输出最大增益60dB。
（3人合作完成）
子题目3：
设计一个有源低通滤波电路，要求倍频程衰减24dB，截止频率30kHz。
（3人合作完成）
子题目4：
设计一个单通道信号采集存储电路，采样位数不低于12位，采样率100KSPS,存储深度512KB（4人合作完成）
课程设计任务书
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
（1）要求设计组的每个成员都要了解整个的大题设计要求和思路；
（2）子题目小组的同学各完成一份设计说明书，突出各自的工作内容；
（3）要求有正确的仿真结果及结果分析；
（4）要有正确的测试结果（示波器、频谱分析仪调试波形）。
4．主要参考文献：
见提供的附件资料
5．设计成果形式及要求：
每个子题目小组提供详细的设计说明书一份
电路板实物，电路板上印制上所有小组成员完整的学号（1205094XXX）和姓名
课程设计任务书
6．工作计划及进度：
2015年06月08日~2015年06月14日：
学习软件的使用，电路原理，完成电路的设计；
2015年06月15日~2015年06月19日：
完成电路的仿真，原理图绘制与制版；
2015年06月20日~2015年06月28日：
完成电路的实物制作（制版、焊接、调试）；
2015年06月29日~2015年07月02日：
撰写课程设计说明书；
2015年7月03日：
提交实物，答辩
学科部主任审查意见：
签字：
年月日
第一章、设计目的简介
本次实验的设计目的主要有以下几点：
1、了解被动声定位的基本原理；
2、了解TDOA算法；
3、了解前置放大器和AGC的工作原理；
4、掌握有源滤波电路设计的基本工作原理
5、掌握定位精度与AD之间的关系
6、了解单片机特性，掌握单片机选择和系统外围电路及其接口电路设计；
7、学习掌握前置放大电路、AGC放大电路、滤波电路、数据采集存储电路；
8、培养资料查阅能力和团队合作精神和组织能力。
第二章、设计主要方案及理论介绍
2.1理论知识
2.1.1什么是滤波器
滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，常用于信号处理、数据传输和干扰抑制等方面，有源低通滤波电路由集成运放和无源元件电阻和电容构成。
它的功能是允许从零到某个截止频率的信号无衰减地通过，而对其他频率的信号有抑制作用。
有源低通滤波电路可以用来滤除高频干扰信号。
[1]但对于滤波器设计的综合技术，由于其网络元件参数的实际选择和调试的困难，采用普通实验设计方法不仅解决不了上述问题，还花费大量时间和设计成本，以至于设计出的产品价格昂贵，电路噪声大等质量问题也不尽人意。
因此，对有源低通滤波器的设计新方法探讨，仍有积极的实际意义。
[2]随着集成运放的广泛应用,有源滤波器的应用更为广泛,因此有源滤波器性能的分析和电路设计就成为一个核心问题。
2.1.2什么是有源低通滤波器
低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。
有源低通滤波器由电阻、电容和运放组成。
为什么要叫有源滤波器，因为电路中含有有源器件运算放大器，需要外部提供激励，才能正常工作。
2.1.3低通滤波器的运放
运算放大器是目前应用最广泛的一种器件，虽然各中不同的运放结构不同，但对于外部电路而言，其特性都是一样的。
运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路（抑制电源），中间级一般采用有源负载的共射负载电路（提高放大倍数），输出级一般采用互补对称输出级电路（提高电路驱动负载的能力）。
运算放大器的性能指标包括5个，开环差模电压放大倍数，最大输出电压，差模输入电阻，输出电阻，共模抑制比CMRR。
（开环差模放大倍数是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。
最大输出电压是指它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰--峰值。
差模输入电阻的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。
要求它愈大愈好。
输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。
共模抑制比放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。
CMRR越大越好。
）
实际是有要求的。
首先运放的输入阻抗要足够大，以免输入阻抗对电路中的实际电阻产生过大的影响。
其次运放的开环增益AV0要足够大。
但由于这些条件非常容易满足，因此在设计有源二阶低通滤波器时，不考虑。
但在仿真时，不同的运放对滤波器的指标还是有影响的。
几种低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础，各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性推导出来的。
正因如此，才使得滤波器的设计得以简化，精度得以提高。
理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过，而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也称为矩形滤波器（brick-wallfilter）。
遗憾的是，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。
根据所选的逼近函数的不同，可以得到不同的响应。
虽然逼近函数多种多样，但是考虑到实际电路的使用需求，我们通常会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”。
“巴特沃斯响应”低通滤波器具有平坦的响应特性，而“切比雪夫响应”低通滤波器却具有更陡的衰减特性。
本次课程设计我们选用“巴特沃斯响应”低通滤波器，因为它的优点是在通带内具有最大的平坦性，缺点是过渡带比较长，
2.2有源低通滤波器的设计要求
2.2.1设计内容
设计一个有源低通滤波器。
2.2.2设计要求
要求倍频程衰减24dB，截止频率30kHz。
2.2.3元器件
①运算放大器NE5532P芯片一片；
②电阻若干；
③电容若干；
2.2.4考核标准
①预习方案报告；
②独立设计；
③独立调试；
④验收；
⑤设计报告；（含PCB图、原理图）。
2.3芯片介绍
2.3.1NE5532芯片介绍：
等效输入噪声电压，频率的典型值在1kHz，单位增益带宽10MHz的典型值共模抑比百分贝典型。
高直流电压增益100V/mV的典型，峰值输出电压摆幅32V，典型随着VCC±=±18V和RL=600Ω高转换率9V/μs的典型宽电源电压范围±3V至±20V。
在工作自由空气的温度范围内绝对最大额定值（除非另有说明）电源电压：
VCC+22--22V，输入电压，无论输入VCC±输入电流±10毫安
输出短路持续时间无限封装的热阻抗
D包97°C/W
PS包85°C/W
PS包95°C/W
经营虚拟结温，TJ150℃，存储温度范围，TSTG-65°C至150℃超出“绝对最大额定值”列出的压力可能会造成永久性损坏设备。
这些压力额定值只，和该设备在这些或超出下标明的任何其他条件的功能操作“推荐工作条件”是不是暗示。
暴露于长时间的绝对最大额定值条件可能影响器件的可靠性。
注释：
1.所有的电压值，除了差分电压，是相对于VCC+和VCC-之间的中点。
2.输入电压的幅度绝不能超过电源电压的幅度。
3.过量的输入电流将流，如果超过约0.6伏的差动输入电压的输入端之间时，除非一些限流电阻使用。
4.可以将输出短路到地或任一电源。
温度和/或电源电压必须限制，以确保最大额定功耗不超过。
5.最大功耗是TJ（最大），θJA，和TA的函数。
在任何允许的最大允许功耗环境温度为PD=（TJ（最大值）-TA）/θJA。
工作在150℃的最大绝对值的TJ可能会影响可靠性。
6.封装的热阻抗的计算按照JESD51-7
2.3.2NE5532特性参数
2.3.3NE5532芯片引脚图
图1NE5532芯片引脚图
2.4有源低通滤波器的设计原理
本次设计选取选取巴特沃斯滤波器。
它的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。
在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。
一阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频6分贝，每十倍频20分贝。
二阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12分贝、三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18分贝、如此类推。
巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，并且也是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。
只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。
其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同的形状。
巴特沃斯低通滤波器的平方幅度响应为:
（1）
其中，n为滤波器的阶数，Wc为低通滤波器的截止频率。
图2展示了2阶、4阶、8阶巴特沃斯低通滤波器的幅频特性。
可见阶数n越高，其幅频特性越好，低频检测信号保真度越高。
图2巴特沃斯幅频滤波器的幅频特性
2.5有源低通滤波器的设计方案
有源滤波电路设计是一项较复杂的电路综合问题，一种特性的滤波电路可能有很多种综合结果，这经常使设计者感到迷茫:
究竟哪一个综合结果具有最佳的工程性能？
在20世纪50——70年代，已有很多人对有源滤波电路作过深入研究，并用计算机进行分析，筛选出一些特性能稳定并对阻容元件精度要求相对均衡的电路构型。
下图所示的典型电路构型具有使用网络元件少、输出阻抗低、特性稳定的特点，并且，它们所使用的元件参数值分布范围较小，工程上容易实现。
图3压控电压源型
压控电压源低通滤波电路：
对于二阶低通滤波电路，式
（2）可写为
（2）
若用图2所示的电路实现式
（2）传递函数，则运放与电阻
和
构成有限增益的放大电路，称为压控电压源。
其增益为
（3）
分析图2所示电路，可得到
（4）
（5）
偶次高阶滤波电路，如四阶、六阶、八阶滤波电路，可由两级或多级二阶滤波电路级联组成，在这种情况下，那么每一级都可用如图2所示的电路实现。
第3章、设计主要方法
3.1传递函数法设计（通用法）
（1）根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n。
（2）选择具体的电路形式。
（3）根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。
（4）解方程组求出电路中元件的具体数值。
（5）安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。
3.2快速查表法设计（简便法）
由于利用传递函数法设计滤波电路是一件很复杂的工作，所以前人已经用计算机对上述压控电压源型电路计算了一系列归一化表格，因此我们在设计电路时只需查表和套用，就能在极短的时间内迅速设计出所需要的滤波电路。
归一化设计表：
按给定截止频率
设计滤波电路时，可以使用归一化系数并对给定网络进行标定。
有许多方法可以达到这一目的，而我们选用归一化电容的方法。
这是因为实际产品中，电容的系列值远较精密电阻的系列值少，如果首先确定电容的标称值，然后再确定电阻的标称值，实现起来就方便多了。
具体做法如下。
令图3所示电路中的电容
为归一下化电容
，
，据此确定归一化网络的参数。
在实际设计电路时，可用电容
的实际标称值来代替归一化的1F电容，其余电容的容量则是将其归一化系数乘以
值。
然后，再将归一化电阻值乘以标定系数
，以得到实际电阻值。
为进一步简化实际设计工作的计算，又可将标定系数中的常数部分归并到设计表中，于是得到实际使用的标定系数：
（6）
式中，
以大小适中的
为单位。
所有设计表中所列电阻值是当
时的阻值，单位
。
标定的方法是将设计表中的阻值乘以
值。
的值则用
乘以归一化系数得到，在设计表中以
的倍率来表示。
设计表如下：
表1
增益
1
2.661
9.521
开路
0
0.1C
1.048
4.833
开路
0
0.5C
级数
1
2
第4章、电路原理图
采用快速查表法设计，增益为一的四阶有源低通滤波器，经过计算可得如下电路原理图：
图4电路设计原理图
标称值修正电路原理图如下：
图5修正电路设计图
第五章、仿真结果、PCB板设计制作、实物焊接和测试
5.1仿真结果
5.1.1瞬态特性分析
利用示波器观测电路瞬态仿真特性，仿真结果如下图所示：
图6Vi=2V,fi=2KHz时的仿真结果
图7Vi=2V,fi=25KHz时的仿真结果
图8Vi=2V,fi=30KHz时的仿真结果
图9Vi=2V,fi=60KHz时的仿真结果
由仿真结果图分析可知：
随着频率的升高刚开始输出电压值基本与输入电压值一致，也即无衰减。
当频率达到30KHz时，输出电压值有了衰减，与设计要求相符合，也即该有源低通滤波器的通带频率为30KHz。
当输入频率大于截止频率30KHz时，输出电压随着输入频率的增加而减小，这正符合低通滤波器的特性。
5.1.2频率特性分析
利用波特图仪观测电路幅频响应仿真特性，仿真结果如下图所示：
图10下降3dB时的幅频响应
图11倍频（60KHz）时的幅频响应
由仿真结果图分析可知：
下降3dB时的频率为29.634KHz基本符合设计要求，即截止频率接近30KHz。
倍频时的衰减倍数为22.592dB基本符合设计要求，即每倍频衰减24dB。
5.2PCB板设计制作
由于本次课程设计为滤波器设计，考虑到与被动声定位系统有关，则应该尽量减小PCB中电磁干扰的影响。
5.2.1PCB上电磁干扰的来源
5.2.1.1印制导线的阻抗与电路不匹配。
过长的导线容易引起频率的谐振形成EMC问题，一般采用小于波长
的导线长度比较安全。
5.2.1.2布局布线不当引起RF辐射。
5.2.1.3器件边沿速率影响。
5.2.2.4接地设计不当。
接地回路或接地参考的不完善（有缺陷或隔离沟槽设计不当）导致产生不平衡的差模电流。
5.2.2.5回路面积大。
回路面积越大越容易引起大的电磁场。
5.2.2元件布局
5.2.2.1元件布局考虑
节点功能最优实现；兼顾整体美观。
5.2.2.2元件布局要求
均衡,疏密有序,不能头重脚轻或一头沉。
5.2.2.3元件布线原则
（1）电路流向原则
按照电路的流向和信号的输入到输出的方向安排各个功能电路单元的位置，然后以每个功能电路的核心元件为中心，围绕核心元件进行布局。
这样的布线结构清晰，信号走向顺畅，往往布线也比较简便。
（2）邻近原则
尽可能按照元件的邻近关系放置元件，使元件间的走线尽可能达到最短，交叉最少。
这样可以有效提高布通率，减少传输延迟和相互干扰。
输入信号元件和输出信号驱动元件，电压输入口应靠近电路板边，使输入输出信号线尽可能短，以减小输入输出信号的干扰。
将高速器件布设在靠近边缘连接器附近，将低速，低频逻辑器件和存储器等安置在远离连接器的范围内。
有利于减小共阻抗耦合，辐射和走线的交叉干扰。
（3）均匀布局原则
需要考虑元件放置方向，最好按水平和垂直两个方向排列，否则不利于插件和焊接。
（4）在信号线附近不放置元件，防止对信号的干扰。
且需在信号线附近增加接地过孔。
（5）为保证数字电路系统可靠工作,在数字集成电路芯片的电源和地之间需放置IC去藕电容。
去藕电容一般容量为0.01一O.luF,去藕电容容量的选择一般按系统工作频率f的倒数选择。
去耦电容尽量靠近元件的VCC，贴片元件的退耦电容最好布局在元件的背面下方。
（6）电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3:
2或4:
3。
5.2.3PCB布线
5.2.3.1布线顺序
（1）在确定了布线层的分配之后，先考虑地线层和电源层的结构及位置。
（2）在同一个布线层布线的顺序是先布设地线，然后布设电源线，最后布设信号线（先高频后低频）。
（3）信号线的布线顺序为模拟小信号线，对串扰特别敏感的信号线，系统时钟信号线，对传输延迟要求很高的信号线，一般的信号线，静态电位线，辅助线。
5.2.3.2布线原则
（1）首先将要求严格的线采用手动布线,然后设定布线规则,采用自动布线完成剩余的走线。
完成后,可以根据实际要求再修改走线。
（2）串扰控制原则，为了减少信号串扰，采用3W原则，可以减少70%的串
扰。
（3）地线回路最小原则，信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积
越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。
在电源、地线之间加上去耦电容。
关键的线要短而粗，并在两边加上保护地。
（4）尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:
地线>电源线>信号线。
通常信号线宽为0.2~0.3mm，电源线一般为1.2~2.5mm。
引脚的钻孔直径=引脚直径+（10~30mil）引脚的焊盘直径=钻孔直径+18mil。
（5）每个信号线尽量在同一层板内完成,尽量减少穿梭过孔数目,且信号线尽
量短且减少拐角。
走线的拐弯处应为圆角或斜角相邻两走线层面应尽量避免平行走线，以便减少寄生耦合。
拐角弯度小于90度时，导线拐角处外缘做成圆弧形避免尖角。
布线按45度角拐弯时可以减少高速信号的发射和相互作用之间的耦合干扰[5]。
（6）对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使
用模拟电路的地不能这样使用）。
（7）模拟电路和数字电路部分,应设置各自独立的地线,减少干扰。
（8）用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为
地线用。
或是做成多层板,电源,地线各占用一层。
（9）同一网络的布线宽度应保持一致，线宽的变化会造成线路特性阻抗的不
均匀，当传输的速度较高时会产生反射，在设计中应该尽量避免这种情况。
（10）不允许出现一端浮空的布线（DanglingLine），主要是为了避免产生“天
线效应”，减少不必要的干扰辐射和接收，否则可能带来不可预知的结果。
（11）高频，高速信号线和不同频率的信号线，应尽量不相互靠近和不平行布设，以免引起信号串扰，必要时在两信号线间加地线隔离；对高频信号线应在其一侧或两侧布设接地线进行屏蔽。
（12）两个焊盘之间导线的长度应符合相应波长的
原则，以减少耦合电容和降低导线间的绝缘电阻。
（13）布线密度较低时应适当加宽导线的宽度和间距。
导线宽度和间距一般为0.13mm（美国军用PCB标准）。
（14）避免布设细而长的印制导线，这样会增加高频信号RF辐射。
（15）对差分电路的回线应单独设置回线，回线与原信号输入线应尽可能靠近且平行布设，线间距可以较小，有利于磁场的抵销，降低信号的干扰。
（16）靠近板边缘的导线和焊盘，应距离印制板边缘不小于5mm。
（17）考虑成本问题,在设计中,采用两层板,同时大面积覆铜,增加接地面积,减少干扰。
（一面布设信号线，一面设计为接地面）
5.2.4覆铜
PCB板在制板的过程中需要覆铜,以便增强PCB板的抗干扰能力和增大过电流的能力，覆铜时一般考虑横向和纵向线的宽度相同,
这样不会产生网格状的铜层,且需要选取去除死铜（即没有网络号的铜区域）,在一般的设计中,铜箔层的网络号均采用GND,以减少干扰。
覆铜板是由基板、铜箔和粘合剂构成的。
基板是由高分子合成树脂和增强材
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