高阶低通有源滤波器研究与设计毕业论文设计
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摘要
基于PROTEL的高阶低通滤波器的设计与仿真滤波器在现代通信领域内有很广泛的应用，本文利用巴特沃斯函数设计了8阶的巴特沃斯低通滤波器，并进行了仿真。仿真输入信号采用的是三个不同频率正弦信号的合成。将合成后的信号通过低通滤波器，实现了对高频信号部分的过滤。采用pretel设计滤波器，使原来非常复杂的程序设计变成了简单的函数调用PROTEL信号处理工具箱为滤波器设计及分析提供了非常优秀的辅助设计工具。
关键词：低通；滤波器；PROTEL
Abstract
Design and Simulation of the High-level Low-pass Filter
Based on MATLAB
Design and Simulation of the High-level Low-pass Filter Based on MATLAB Filter is widely used in the field of modern communication, this paper designed 8 order Butterworth low pass filter using butter culvert PROTEL, simulation is carried out. Simulation of the input signal is used in the synthesis of three different frequency sine signals. The combined signal through a low pass filter, the of the filter. Using the PROTEL filter design, make the program design of the original complex into simple function calls the PROTEL Signal Processing Toolbox provides aided design tool is very good for the design and analysis of filter.
Key words：Low pass; filter; PROTEL
目录
第1章绪论 (1)
1.1前言 (1)
1.2课题背景 (1)
1.3研究的目的与意义 (1)
第2章任务设计与介绍 (1)
2.1设计任务 (1)
2.2 滤波电路的比较 (1)
2.3原理描述 (3)
2.3.1总体方框图设计 (3)
2.3工程介绍 (6)
2.3.1滤波器的介绍 (6)
2.3.2高阶电路介绍 (8)
2.3.3放大电路介绍 (9)
第3章软件介绍 (15)
3.1PROTEL介绍 (15)
3.2 Altium Designer介绍 (17)
第4章低通滤波电路设计 (18)
4.1巴特沃斯滤波器的基本理论 (19)
4.2 低通巴特沃斯滤波器的设计 (20)
4.3放大电路的设计 (22)
第5章整机调试 (24)
5.1焊接 (25)
5.2调试 (26)
第6章仿真 (27)
6.1Filter Lab (27)
6.2实物波形图 (28)
第7章总结 (32)
致谢 (35)
参考文献 (36)
第1章绪论
1.1前言
随着现代通信技术的不断的进步与发展，滤波器是现代通讯系统中不可缺少的器件之一，在过去的几年中迅速发展的过滤器是一种复杂的选频网络，其对在一定的频率范围内的信号予以很小的衰减,使这部分信号可以通过,而其它电信号予以很大程度上的衰减使其不能通过，从而尽可能地阻止这部分信号通。本次研究的课题就是对一组合成信号通过滤波器后分离出需要频率的信号并利用软件仿真，进行此次仿真的软件我选择利用Protel。Protel软件具有很强大的功能，具有一种方便的数据信息可视化技巧，使用向量和矩阵,可以标记为图形。而且可以将矩阵和向量用图形的形式表达出来，而且同时对图形进行打印和标注。较高水平技巧的作图有表达式作图、二维可视化作图和三维的可视化作图、数字图象处理和动画作图。现在被广泛应用于科学领域和工程方面绘图。它在数学类科技应用和计算方面是首屈一指的数值程序。用Protel对矩阵操作,绘图函数和数据、实现算法、创建用户界面,连接其他的编程语言、程序等,主要应用于工程方面的计算、控制与设计、信号处理以及通讯、数字图像处理、金融模型的建立与设计等。
1.2课题背景
在科学研究和工程实践中，经常会遇到检测毫微伏量级信号的问题，比如材料分析的时候测量荧光的光强、红外的探测、测量地震的波形以及波速、生物的电信号测量以及卫星信号的接受等等。测量技术中的一个综合性的技术分支就是微弱信号的检测，它利用物理学、电子学和信息论的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。
1.3研究的目的与意义
无论何种微弱信号检测技术都需要首先对信号进行预处理，然后经过AD
采样，送入计算机进行各种处理。信号预处理一般由前置放大电路、中间放大电路、滤波电路和直流电源电路等四部分组成。对前置放大电路的要求是输入阻抗高、噪声系数小，中间放大电路要求放大倍数高，滤波电路初步完成对噪声的滤除，直流电源为上述电路提供稳定的直流电压。
第2章任务设计与介绍
2.1设计任务
在科学研究和工程实践中，经常会遇到检测毫微伏量级信号的问题，比如测定地震的波形和波速、材料分析时测量荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及生物电信号的测量等等。微弱信号检测是测量技术中的一个综合性的技术分支，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号[1]。
无论何种微弱信号检测技术都需要首先对信号进行预处理，然后经过AD 采样，送入计算机进行各种处理。信号预处理一般由前置放大电路、中间放大电路、滤波电路和直流电源电路等四部分组成。对前置放大电路的要求是输入阻抗高、噪声系数小，中间放大电路要求放大倍数高，滤波电路初步完成对噪声的滤除，直流电源为上述电路提供稳定的直流电压。
本课题研究中间放大和滤波电路，主要内容及要求：
1. 各种放大电路滤波电路优缺点对比，确定出有源低通滤波、放大电路方案，并画出原理图；
2. 电路原理图仿真、版图绘制；
3. 电路组装、调试，并与其它电路连接、调试。
2.2 滤波电路的比较
无源滤波电路
只有无源元器件所组成的滤波器，它是利用了电感和电容元器件的电抗会随着频率的变化而变化的原理构成的。这一类滤波器的优点就是：电路比较的简单，不需要直流电源来为它供电，可靠性比较高；缺点就是：通带内信号会有能量的损耗，负载效应会比较的明显，当使用电感元器件时比较容
易引起电磁感应现象，当电感L比较大的时候滤波器的重量和体积都会比较大，在低频域并不适用。
有源滤波电路
由有源器件和无源元件所组成。这种滤波电路它的优点就是：通带内不仅没有将信号能量损耗，而且还将信号放大，负载效应变得不明显，多个电路相互联接时影响很小，利用多级联接的方法很容易就能构成一个高阶滤波器，这种高阶滤波器的占用位置小、携带方便、不需要磁屏蔽；缺点是：通带范围受带宽限制，限制主要由有源器件决定，电力供给由直流电源提供，和无源滤波器相比可靠性比较低，适用场合受到限制，高压，高频，功率较大的场合就不适用。
低通滤波
我们可以简单解释低通滤波：设置一个频率点，当信号的频率高于这个频率的时候，信号频率就不能通过，在数字信号当中，这个频率点也被称为截止频率，当频域比这个截止频率高的时候，那么就全部给定为0值。由于在这个处理过程当中，让低频的信号全部都通过了，所以又称它为低通滤波。高通滤波
高通滤波是只对低于某一给定频率以下的频率成分有衰减作用，而允许这个截频以上的频率成分通过，并且没有相位移的滤波过程。主要用来消除低频噪声，也称低截止滤波器。
高阶滤波器
为达到高的衰减量，或者换句话衰减要很快的上升，这就需要多阶的滤波器组合，以巴特沃思为例，奇数高阶低通滤波电路是一个一阶巴特沃思（Butterworth）低通滤波电路和若干个二阶巴特沃思滤波网络的级联，偶数高阶低通滤波电路是若干个二阶巴特沃思滤波网络的级联。例如，五阶巴特沃思低通滤波器，由两个二阶和一个一阶巴特沃思低通滤波器组成。
各种滤波电路性能的比较类型
性能电容滤波电感滤波LC 滤波
RC 或 LC π型
滤波
U L(AV) U 2 1.2 0.9 0.9 1.2 θ小大大小
适用场合小电流
负载
大电流
负载
适应性
较强
小电流
负载
由以上比较可得，选用高阶低通有源滤波器完成本次试验
2.3原理描述
因为和正常信号频率相比，有害的电磁干扰的频率要高很多，所以高阶低通滤波器主要通过选择性的阻拦或分流有害的高频来发挥作用的。基本上，高阶低通滤波器的感应部分被设计作为一个低通器件使交流频率通过，同时它还可以看做是一个高频的截止器件。高阶低通滤波器的其他部分使用电容来分路或分流有害的高频噪声，使敏感电路接收不到这些有害的高频噪声。
[2]这样，高阶低通滤波器就能显著衰减或降低了所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号。
2.3.1总体方框图设计
原理图
四个跟随电路，起到隔离作用，提高输出能力
两个放大电路，将过滤之后的波形放大
2.3工程介绍
2.3.1滤波器的介绍
滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。随着电子市场的不断发展也越来越被广泛生产和使用。
滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器。主要的作用是尽可能无衰减的通过有用的信号，对无用的信号尽可能大的进行反射。一般滤波器都有两个端口，一个输入端口、一个输出端口，利用这样的特性可以选通通过滤波器的一个复合噪波或方波群，从而可以得到一个特定的频率的正弦波。[3]滤波器其实就是一个选频电路，他的主要功能是允许一部分的频率信号顺利通过，另一部分的频率信号会受到很大抑制。滤波器中，信号可以通过的频率的范围，我们称之为通频带或者通带；反之，信号受到很大衰减或者完全被抑制了的频率的范围称之为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；
[4]滤波器是由电容器和电感器构成的网络，可以分开混合的直流交流电流。在电流整流器中，就是借助了这个网络的滤净脉动直流中的涟波，从而获得的直流输出会比较的纯净。L型滤波器，是由一个电感器和一个电容器构成的一种最基本的滤波器，各种类型的滤波器，都是用集合L型单节的滤波器组
合而成的。一个并联臂和一个串联臂组成基本的单节式滤波器，并联臂就是电容器，串联臂就是电感器。在声频和电源电路中最通用的滤波器就是π型和L型两种。拿L型滤波器来说，它的电容抗XC和电感抗XL，对任意一个频率是一个常数，关系式为XC·XL=K2。所以L型滤波器又可以叫做K常数滤波器。加入一个滤波器的构成部分，和K常数型相比有比较尖锐的截止频率，但是同时对这个截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者，叫做M常数滤波器。截止频率就是和滤波器尖锐谐振的频率。带阻滤波器和通带都是M 常数滤波器，M就是截止频率和被衰减的其他的频率的衰减比的函数。每一个M常数滤波器的阻抗和K常数滤波器之间的关系，都是由常数M决定的，这个常数在0到1之间。当M趋近于0时，会提高截止频率的尖锐度，但是随之减小的事截止频率的倍频的衰减率。当M等于0.6时，最实用，如果一个频率需要被截止，可以调节共振臂。共振臂的有效Q值的大小决定了M常数滤波器的衰减度。[3]
从大方面分类，滤波器可以分为数字滤波器和模拟滤波器，模拟滤波器由电感，电路，电阻，和原器件组成；在实际生活中使用的广泛的是数字滤波器。从实现的方法上来分，数字滤波器可以分为FIR和IIR，就是有限冲激响应滤波器和无限冲激响应滤波器；其中有反馈回路的事IIR网络，没有反馈回路的事FIR网络。
从小方面分类：
1.按处理的信号可以分为数字滤波器和模拟滤波器。
2.按通过信号的频滤范围可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器
和带阻滤波器。
低通滤波器是一种能通过低于截止频率的信号，但是会拦截高于截止频率信号的电子滤波装置。分量通过某一频率以下的信号，对该频率以上的信号分量大，抑制大的电阻、电感与电容等器件的组合装置。
低通滤波器的概念有很多的不同形式，其中包括了图像模糊处理，电子线路等等，这两个工具都通过保留长期发展趋势、剔除短期波动提供信号的
平滑形式。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average)所起的作用；[5]
低通滤波器有很多的种类，其中，最常用的就是巴特沃斯滤波器及切比雪夫滤波器。
巴特沃斯响应
巴特沃斯响应可以最大化滤波器的通带平坦度。这个响应非常的平坦，接近于DC信号，然后会慢慢的衰减到截止频率点为-3dB，最终接近于
-20ndBdecade的衰减率，其中n是滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器非常适用低频应用，其对维护增益的平坦性来说是非常的重要的。[6] 切贝雪夫响应
在一些的应用中，最重要的因素就是滤波器拦截非必要信号的速度。假如你可以接受具有一些纹波的通带，就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。
低通滤波器可以通过从直流到截止频率(fCUTOFF) 的某个信号。设置通用滤波器的二阶传递函数的高通和带通系数为零，就可以得到一个二阶低通滤波器的传递公式
对于高于f0的频率，信号的下降速度由该频率的平方的速率决定。在频率f0处，阻尼值会衰减输出的信号。你可以用多个这样的滤波器部分来得到一个阶数更高的滤波器。假定要求设计一个四阶贝塞尔(Bessel) 低通滤波器，截止频率为10KHZ。每个部分的转降的频率分别是18.19及16.13 kHz，阻尼值分别为0.821及1.775，并且这两个滤波器分区的低通、高通和带通系数分别为1、0与0。你可以用这两个带有上述参数的滤波器部分来实现所要求的滤波器。截止频率是输出的信号衰减3 dB的频率点。[7]
2.3.2高阶电路介绍
高阶电路的原理是电子信息专业的一门必修课，是以研究电路的基本规律和电路的分析方法及分析电路中的电磁现象为主要内容，并且分析电路的
条件是电路给定的参数，通过求解电路中的电流、电压从而了解电网络所具有的特征特性。
高阶电路就是描述线性时不变的动态电路中的n阶常微分方程中(一般有M≤N),如果N≥3，那么该电路就是一个高阶电路。式中系数BJ(J=0,1,…,M)是实数;αI(I=0,1,…,N)在电路由正值L、C、R三个元器件构成时,都是非零的正实数；在电路有负值L、C、R或者受控源元器件时，有可能会出现零或者负值。
电路阶数一般与电路复杂度有关。对于一个正则的LCR元件电路来说,电路阶数N等于贮能的元件个数。如果存在电感或者纯电感与电流源形成的割集，或者电容或者纯电容与电压源形成的回路，阶数将会减少。一般情况下，电路的阶数都低于它的贮能元件数。
常系数线性微分方程的特征方程决定了它的特征方程解。特征根有可能是共轭复根、实根、虚根和它们的重根。和每个特征根相对应，响应函数中有一个指数分量Kie捾。这样的话一个实单根会对应一个指数分量，每对虚根或共轭复根与一个等幅振荡或衰减振荡分量相对应。这些分量的总和就构成了N阶方程的总响应。
根据系统理论,任意输入为f(t)的n阶电路的全响应，在特征方程无重根的情况下可以下式表示式中右端第一个指数求和项是电路的零输入响应分量，其中Si为特征根,Ki为待定常数,由y(0)、y┡（0）、…、y(0)n个起始条件在输入为零的条件下确定;右端积分项为用电路的冲激响应h(t)与输入
f(t)的卷积公式表达的零状态响应。
2.3.3放大电路介绍
放大电路（amplification circuit）可以把一个叠加在直流工作点上的微弱的交流小信号，通过一个核心是三级管、场效应管的装置，得到一个不失真的波形相似，但是幅值却要大很多的交流大信号的输出。实际的放大电路通常是由晶体三极管、信号源构成的放大器和负载组成。
增加电信号的功率或幅度的电子电路。放大器是一种应用放大电路来实
现放大的装置。放大器的核心是电子有源器件，比如晶体管和电子管等。为了能够实现放大作用，必须给放大器提供能量。常用能源一般是直流电源，但是有的放大器也会利用高频电源来作为泵浦源。把电源的能量转移给输出信号就是放大作用的实质。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代电子系统中，电信号的产生、发出、接受、变化和处理，基本都是以放大电路做为基础的。20世纪初，电信号放大的实现和真空三极管的发明，标志着电子学发展到了一个新的高度。20世纪40年代末晶体管的问世，尤其是60年代集成电路的发明，加快了电子放大器和电子系统小型化和微型化的进程速度。
现代使用最广的集成放大器是以双极型晶体管或场效应晶体管作为晶体管的放大电路为基础。微波、高频的低噪声放大以及大功率放大，常用的是分立晶体管放大器。微波和高频的大功率放大主要依靠特殊类型的真空管，比如功率三极管、四极管、速调管、磁控管、正交场放大管以及行波管等。
放大电路的前置部分或集成电路元器件变质会引起高频振荡产生杂声，检查各个部分的元器件，如果元器件没有损坏，那么再在磁头信号线与地间并接一个1000PF～0．047F的电容，杂声如果不消失，那么需要更换新的集成块。
原则
（1）静态工作点合适：合适的元器件参数、合适的直流电源。
（2）动态信号可以作用在晶体管的输入回路上，在负载上获得了的动态信号就是已经放大了的。
（3）对实用放大电路的要求：直流、共地电源种类要尽可能的少、负载上面没有直流分量。
放大电路本身的特点：
一、有动态和静态两种工作的状态，所以有时候往往需要画出它的交流通路和直流通路才能进行分析；
二、电路通常会有负反馈，这种反馈有的时候会在本级内，有的时候是从后一级反馈到前一级的，所以在分析这一级时还要能分析前后，分析到位。在弄懂了每一级的原理之后就能把整个电路串通起来然后进行全面综合。
放大倍数
放大倍数又称为增益，它是衡量放大电路的放大能力的一个重要指标。根据所需要处理的输入和输出量的不同，放大的倍数有电流、电压、互导、互阻和功率放大倍数等等，其中应用最多的是电压放大倍数。
输入电阻
放大电路的输入电阻是从输入端向放大电路内输入进去的等效电阻，它相当于放大电路的输出端接到实际负载电阻以后，输入电压与输入电流之比，即Ri=UiIi。对于信号源来说，输入电阻就相当于它的等效负载。
放大电路对信号源的影响程度由输入电阻的大小所反映。输入电阻越小，放大电路从信号源汲取的电流（即输入电流）就越大，信号源内阻上的压降就越大，其实际输入电压就和信号源电压越接近，常称之为恒压输入。反之，当要求恒流输入时，就必须用条件Ri< 输出电阻 就负载而言，放大电路的输出端可看做为一个信号源。输出电阻越大，输出电压受负载的影响就越大，如果Ro=0，那么输出电压的大小就会不受RL的大小影响，称之为恒压输出。当RL< 分类 根据放大电路的作用可以将其分为：电流放大电路、功率放大电路和电压放大电路。根据放大电路的组成元器件可以分为效应管放大电路和晶体管放大长电路。 晶体管放大电路基本形式一般有以下三种：共集放大电路，共基放大电