低通滤波器的设计

1、电子综合课程设计课程名 称电子技术综合课程设计院（系）机电学院专业 电子科学与科技班级 10电子（一）班学号 201010330140姓名黄玉燕指导老师杨波课程设计题目低通滤波器的设计程设计的内容及要求：一、设计说明设计一个低通滤波器。低通滤波器在工业现场主要用于信号的滤波，提高 有效信号的信噪比。实际环境下的有效信号一般是传感器输出信号或通信传输 的信号。目前随着计算机技术的快速发展，诞生了很多方便的设计软件，例如： TI公司的FilterPro，就是一款很好的滤波器设计软件，本次设计建议使用。二、技术指标1.截止频率10Hz，通带增益20dB ；截止带增益-30dB。三、设计要求1 .设计建议采用TI公司的FilterPro滤波器设计软件。2输入信号为正弦波，要求通过示波器观测输入输出的相位差。 3要求将输出正弦波整形为方波并设计电路测量输出方波信号频率。 4可以考虑频率输出信号与频率测量电路之间增加光电隔离。 5画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。四、实验要求1根据技术指标制定实验方案。2部分仿真或实际验证所设计的电路。 3进行实验数据处理和分析。五、推荐参考资料1姚福

2、安.电子电路设计与实践M济南：山东科学技术出版社，2001年2阎石.数字电子技术基础.M北京：高等教育出版社，2006年3刘贵栋主编.电子电路的Multisim仿真实践M.哈尔滨：哈尔滨工业大 学出版社， 2008 年4.童诗白、华成英主编模拟电子技术基础，M北京：高等教育出版社，2007 年.一、概述滤波器（filter）,是一种用来消除干扰的器件，它的主要作用是让有用信 号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。其功能就是得到一个特 定频率或消除一个特定频率。低通滤波器是一个可以通过低频信号，但是对于高频信号会产生抑制或衰减 的部件。理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻 带内其幅值应为零。但是实际滤波器不能达到理想要求。本设计为低通滤波器，其用途为接收低频信号并显示其频率。通过采用 TI 公司的FilterPro滤波器设计软件，通过输入截止频率10Hz，通带增益20dB； 截止带增益-30dB后经过自动分析处理后直接算出滤波器的性能及所有滤波器 原件的值得到低通滤波器电路图。将此低通滤波器输出的正弦波信号通过施密 特触发器后，得到了与输入正弦波频率相同

3、的方波。若想直接得到通过滤波器 的信号频率，可以通过设计电路测量输出方波信号频率，进而得到输入信号的 频率并通过数码管直接显示出来一目了然。此滤波器结构简单、操作方便、浅显易懂、可以直接读取信号频率。二、 方案论证本设计的方案为先通过采用TI公司的FilterPro滤波器设计软件设计出符合条件的低通滤波器，然后与施密特触发器相连，得到与输入正弦波频率相同 的方波，最后设计一个方波频率测量电路，测量其频率就可以得到输入正弦波 的频率。系统功能框图如图 1 所示低通滤波器施密特触发器方波频率 测量电路数码管显示图1功能框图本设计是由 TI 公司的 FilterPro 滤波器设计软件直接设计生成的滤波器 电路，FilterPro是一款强大的滤波器设计软件，研发时间断、成本比较低、产 品开发投放市场快。与其它的类型的滤波器不同的是，它支持三种最常见的全 极点滤波器类型：巴特沃兹(最大幅度平坦度)、切比雪夫(等纹波幅度)及贝 塞尔(最大延迟时间平坦度)。此软件是经过了一系列精确细致的运算，得到更 为理想的低通滤波器，误差范围更小，产生效果更明显，更易于大家认可和接 受。利用施密特触发器状态转换过

4、程中的正反馈作用，可以将边沿变化缓慢的 周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。具有科学性和正确性。本设计可 以使用频率低于 10Hz 的信号通过，经过多次仿真测试，此滤波器满足将输入的 正弦波通过施密特触发器对信号整形为方波，然后将输出方波信号通过单稳态 触发器做定时器1s后测出通过方波的周期数即为该波的频率，满足了设计要求， 经过对信号进行处理后可通过数码管可直接显示出来。三、 电路设计1、 低通滤波器的设计由TI公司的FilterPro滤波器设计软件可直接设计生成低通滤波 器，将软件打开后， Step1 首先选择 Lowpass 低通滤波器， Next 下一 步到条件设定 St ep2,Gain (Ao):为通带增益 20dB, Allowable Passband Ripple (Rp):默认为 1db, St opband Frequency (fs):截止频率 10Hz, St opband A tt enua tion (Asb):截止带增益-30dB。将条件填写完整后， Next 下一步转到 Step3,Filter Response 滤波器响应方式： Gain(dB)

5、,Response Type 反映类型：Bu tt erwor th。进入下一步 St ep t4： Filter Topology 滤波器拓扑:Multiple-Feedback 多反馈，最后 Finish 结束后生成滤波器电路图如图2：Filter St age:1Filter Stage:2Filter Stage:3Passband Gain(A.o):2.154Passband Gain(Ao):2.154Pass ba nd Gam (Ao):2.154Cutoff Frequency5 HzCutoff Frequencyffn):5 HzCutoff Frequency(fn):5 HzQuality Factor (Q):0.5Quality Fa ctor (Q):0.62QualityFactor (Q):1.62Filter Respon：se:Butte nvorthFilter Response:ButterworthFilter Response:ButterworthCircuit Topology:Real PoleCiyuit Topology?M

6、u ItipleFeed backCircuit Topology:MultipleFeedbackMin GBW reqd.:5385 HzMin GBW reqd.:667.74 HzMin GBW reqd.:1.7447 kHz图2 生成滤波器电路图2、 矩形波的产生用 555 芯片设计的施密特触发器电路 如图 3 施密特触发器输出状态的转换取决于输入信号的变化过程，即输入信号从 低电平上升的过程中，电路状态转换时，对应的输入电平 V 与输入信号从高电T+平下降过程中对应的输入转换电平V不同，其中V称为正向阔值电压，V称为T- T+ T- 负向阔值电压。另外由于施密特触发器内部存在正反馈，所以输出电压波形的 边沿很陡。因此，利用施密特触发器不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡 峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效的消除。555VCC.CUT 5VER RATED1、2、_Tc6 土 10nRSTDISTHRTRICON10hF_VCCOUTGND3图 3 555 构成施密特触发器内部结构1)当u =0时，由于比较器C1=1、C2=0,触发器置1,即Q

7、=1 , u 1 io=u =1。 u 升高时，在未到达 2V /3 以前， u 1=u =1 的状态 o i CC o o不会改变。当u =0时，由于比较器C1=1、C2=0,触发器置1,即Q=1 , uo1在未到达2 V /3以前，u 1 = u =1的状态CC o o=1。o2)1)i= u = 1 。 u 升高时，oi 不会改变。u 升高到 2V /3 时i CC0,即 Q = 0 , u 1=uo未到达V /3以前CC当u =0时，由于比较器C1=1、C2=0,触发器置1,即Q=1 , uo1iu =1。u升高时，在未到达2 V /3以前，u 1 = u =1的状态i CC o o 不会改变。=1。o，比较器 C1 输出为 0、C2 输出为 1 ，触发器置=0。此后，u上升到V，然后再降低，但在 o i CC uo1 = u = 0 的状态不会改变。o(2) u 升高到 2V /3 时，比较器 C1 输出为 0、C2 输出为 1，触发器置 i CC0,即Q = 0 , u 1=u =0。此后，u上升到V，然后再降低，但在 o o i CC未到达V /3以前，u 1 = u =

8、0的状态不会改变。CC o o(3) u下降到2V /3时，比较器C1输出为1、C2输出为0，触发器置 i CC1,艮卩Q=1 ， u 1=u =1。此后，u继续下降到0,但u 1 = u = 1 o o i o o 的状态不会改变。施密特触发器产生的波形如图 4所示:3、 由555 定时器搭建单稳态触发器 所产生波形用于控制计数。其电路图如图 5VCCVCC；R101.92MQRATED555VCC5VOUTRSTDIS,17THRVCC5VC12 二二10uFVCC11.-1kQllTIOnFTRICONGNR1?0|i100Q图5 单稳态触发电路0图6 单稳态触发器波形图电路如图 5 所示，由555 定时器组成的单稳触发器，它既为下一级的多谐触 发器提供输入脉冲，又为后面计数器开始计数提供信号脉冲。单稳触发器占空比为V - 0t = RCln ccw2V VCC 3 CC=RCln3 = 1.1RC为了使计数器在单稳触发器高电平时开始计数，应在单稳波形后加一级反相TO器。4、数字频率计测频的基本原理所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1S）内变化的次数，若在一定时间间隔 T 内测得这个周期性信号的重复变化次数为 N ，则其频率可表示为f=N/T时基电路的作用是产生一个标准时间信号（如高电平持续时间为1S）。当标 准时间的精度要求高时，应采用石英晶体振荡器经分频获得。本设计对精度没 作要求，故可采用 555 定时器构成单稳态触发器来实现。四、 性能的测试若 A. up 为输出电压最大值与输入电压最大值之比，则通带增益 =20log| A. up |up up 频率为 110Hz 时，通带增益如表 2表2频率（Hz）12345678910电压放大倍数7.497.647.898.458.628.869.129.629.879.98通带增益（dB）17.4917.6617.9418.5318.7118.9519.2019.6619.8819.98若A为输出电压

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