1、计算机信息工程学院毕业设计说明书I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；PROTELAbstractIIAbstractDesign and Simulation of the High-leve
2、l Low-pass Filter Based on MATLAB Design and Simulation of the High-level Low-pass Filter Based on MATLABFilter 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
3、 signal is used in the synthesis of three different frequency sine signals. The combined signal through a low pass filter, the high-frequency signal portion of the filter. Using the PROTEL filter design, make the program design of the original complex into simple function calls the PROTEL Signal Pro
4、cessing Toolbox provides aided design tool is very good for the design and analysis of filter.Key words：Low pass; filter; PROTEL计算机信息工程学院毕业设计说明书III目录第 1 章 绪论 .11.1 前言 .11.2 课题背景 .11.3 研究的目的与意义 .1第 2 章 任务设计与介绍 .22.1 设计任务 .22.2 滤 波 电 路 的 比 较 .22.3 原理描述 .42.3.1 总体方框图设计 .42.3 工程介绍 .72.3.1 滤波器的介绍 .72.3.2
5、 高阶电路介绍 .92.3.3 放大电路介绍 .10第 3 章 软件介绍 .153.1PROTEL 介绍 .153.2 Altium Designer 介绍 .16第 4 章 低通滤波电路设计 .184.1 巴特沃斯滤波器的基本理论 .184.2 低通巴特沃斯滤波器的设计 .194.3 放大电路的设计 .21第 5 章 整机调试 .235.1 焊接 .235.2 调试 .24第 6 章 仿真 .256.1Filter Lab .256.2 实物波形图 .25第 7 章 总结 .30致谢 .32计算机信息工程学院毕业设计说明书IV参考文献 .33计算机信息工程学院毕业设计说明书1第 1 章 绪论
6、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
7、 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
8、 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
9、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
10、 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A/D 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
11、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 。计算机信息工程学院毕业设计说明书2计算机信息工程学院毕业设计说明书1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
12、 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A/D 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
13、 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 ；
14、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
15、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 不计算机信息工程学院毕业设计说明书2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
16、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
17、 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
18、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
19、 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 型滤波U L(AV) /U 2 1.2 0.9 0.9 1.2计算机信息工程学院毕业设计说明书3 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
20、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计算机信息工程学院毕业设计说明书4
