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1、泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 低通宽带滤波电路的设计 物理与信息工程学 院 电信 专 业 07 级 （1）班学生姓名 学 号 指导教师 职 称 教授 完成日期 2011年4月 教务处 制目录引言31.滤波器的发展史42.滤波器的基础知识42.1滤波电路的定义42.2滤波电路的种类42.3有源低通滤波器的种类63 系统总体设计63.1 有源低通宽带滤波电路的指标要求63.2 设计思路73.3 OPA690ID的引脚图73.4 电路原理74.软件NI Multisim10仿真有源低通滤波器84.1 软件NI Multisim10的简介84.2 5MHz巴特沃斯的仿真结果94.3 1
2、0MHz巴特沃斯的仿真结果105 系统测试及数据分析105.1 测试仪器105.2 测试相关数据35.2.1 5MHz 的数据记录和表格35.2.2 10MHz 的数据记录和表格35.3测试结果分析35.4 结论36 心得体会3致谢3参考文献：3英文摘要3附录17低通宽带滤波电路的设计物理与信息工程学院 电子信息科学与技术专业（1）班 指导教师 教授【摘要】：本设计以集成运放OPA690ID为核心器件，先通过软件NI Multisim10仿真四阶有源低通宽带滤波电路，观察通频带，再根据仿真结果制作硬件电路，测试增益起伏，观察波形。本文设计的四阶有源低通宽带滤波电路原理图比较简单，采用的器件较少
3、，制作比较方便。【关键词】：低通宽带滤波；OPA690ID; NI Multisim10引言当今世界，通信和电子技术发展非常迅速，电子技术也越来越受到人们的重视，而信号放大或处理领域经常会用到滤波电路。对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其它频率信号通过1。在实际工程中有源低通滤波电路是应用广泛的电路，常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等，目前在通讯、声呐、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能起滤波作用，与此同时还可以进行放大。组成电路时应选用带宽合适的
4、集成运放。有源滤波电路不适于高电压大电流的负载，只适用于信号处理1。有源滤波电路的优点：反馈稳定性较好；传输阻抗比较低；频率响应较理想；抗干扰能力比较强；电路设计简单，带负载能力强，级与级之间隔离性好，并对信号可起放大作用。 1.滤波器的发展史随着通信和电子技术的发展，滤波器的理论和应用也发展很快，滤波器作为一门发展学科，至今已有九十几年的历史。1915年德国K.W.华格纳和美国贝尔实验室的G.A.坎贝尔分别提出关于滤波器的论文，被世界公认为滤波器的独立发明者。滤波器在60年代的发展上了一个新台阶，主要是在这年代计算机技术、集成工艺和材料工业的迅速发展，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、
5、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。 无源滤波器在50年代更日趋成熟。而RC有源滤波器的发展历史更早，可追溯到1938年斯科特（Scoot）的选择放大器，但是直到1954年林威尔（Linvill）用负阻抗变换器的转移阻抗综合才实现
6、了第一个有源滤波器。从此以后才开始大量研究有源滤波器，1955年出现了应用单放大器实现了有源RC滤波器，为实用设计开辟了新途径。1965年单片集成运放问世,省去制作麻烦,成本高的电感, 为有源滤波器的迅速发展和普及提供了物质基础。我国的滤波器在50年代以后发展迅速，因此在50年代以后被广泛应用，发展至今，我国的滤波器在研制、实际应用有了进步和提高，但还是跟国际的水平有一定的差距。2.滤波器的基础知识2.1滤波电路的定义对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其它频率信号通过1。其主要功能是让有用的信号尽可能无衰减通过，对无用的信号尽可能大的衰减。
7、2.2滤波电路的种类通常，按照滤波电路的工作频带为其命名，分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）和全通滤波器（APF）。设截止频率为fp，频率低于fp 信号能够通过，高于fp的信号被衰减的滤波电路称为低通滤波器；反之，频率高于fp的信号能够通过，而频率低于fp 的信号被衰减的滤波电路称为高通滤波器。低通滤波器可以作为直流电源整流后的滤波电路，以便得到平滑的直流电压；高通滤波器可以作为交流放大电路的耦合电路，隔离直流成分，只放大频率高于fp的信号1。设低频段的截止频率为fp1 ,高频段的截止频率为fp2 ，频率为fp1 到fp2 之间的信号能够
8、通过，低于fp1 和高于fp2的信号被衰减的滤波电路称为带通滤波器；反之，频率低于fp1 和高于fp2的信号能够通过，而频率低于fp1 到高于fp2之间的信号被衰减的滤波电路称为带阻滤波器。带通滤波器常用于载波通讯或弱信号提取等场合，以提高信噪比；带阻滤波器用于在已知干扰或噪声频率的情况下，阻止其通过。全通滤波器对于频率从零到无穷大的信号具有同样的比例系数，但对于不同频率的信号将产生不同的相移1。理想滤波电路的幅频特性如图2-1所示。允许通过的频段称为通带，将信号衰减到零的频段称为阻带。图2-1 理想滤波电路的幅频特性（a）LPF的幅频特性 （b）HPF的幅频特性 (c) BPF的幅频特性 (
9、d) BEF的幅频特性四种滤波电路的幅频特性如图2-2所示。 （a） （b） （c） （d）图2-2 四种滤波器的幅频特性曲线(a) LPF幅频特性 （b）HPF幅频特性(b) BPF幅频特性 （d）BEF幅频特性2.3有源低通滤波器的种类滤波器的品质因数Q，也称为滤波器的截止特性系数。其值决定于f=f0附近的频率特性。按照f=f0附近频率特性的特点，可将滤波器分为巴特沃斯、切比雪夫、和贝塞尔三种类型。图2-3是三种类型LPF的幅频特性，巴特沃斯的品质因数为0.707，切比雪夫的品质因数为1，贝塞尔的品质因数为0.56。巴特沃斯滤波器的幅频特性无峰值，在f=f0附近的幅频特性曲线为单调减。切比
10、雪夫滤波器在f=f0附近的截止特性最好，曲线的衰减斜率最陡。贝塞尔滤波器的过度特性最好，相频特性无峰值1。图2-3 三种类型LPF的的幅频特性3 系统总体设计3.1 有源低通宽带滤波电路的指标要求（1） 3dB通频带010MHz；（2） 在010MHz通频带内增益起伏1dB；(3) 正弦波信号波形无明显失真.3.2 设计思路本设计为四阶低通滤波器。在此电路中，用到两片集成运放OPA690ID、稳压芯片78LM05、79LM05和一些电容、电阻。OPA690ID是双电源供电的通用型单运算放大器，输入电流小输出电流大，是波形发生器、滤波器、运算器等其它电路的重要组成成分。设计低通滤波器时，如果要改
11、变通频带频率，往往要改变较多的元件参数，而在本次设计中通过滤波器设计软件Filter Solutions和仿真软件NI Multisim10，最终设计四阶的低通滤波器。3.3 OPA690ID的引脚图OPA690ID引脚说明21，5脚：空脚。2脚：反相端输入脚。3脚：同相端输入脚。6脚：输出端。4脚：负电源端。7脚：正电源端。8脚：偏差校正。其引脚功能如图3-1所示：图3-1 OPA690ID的引脚图3.4 电路原理图3-2是由集成运放OPA690ID及稳压芯片7805、7905和一些电阻电容组成的四阶有源低通滤波器3。图3-2-1 5MHz巴特沃斯的原理图图3-2-2 10MHz巴特沃斯的原
12、理图4.软件NI Multisim10仿真有源低通滤波器4.1 软件NI Multisim10的简介 NI Multisim10是美国国家仪器公司（NI，National Instruments）最新推出的Multisim版本，是该公司电子线路仿真软件EWB（Electronics Workbench,虚拟电子工作台）的升级版。目前美国NI公司的EWB包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生产的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiro
13、ute及Commsim4个部分相互独立，可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4个部分有增强专业版、专业版、个人版、教育版、学生版和演示版等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。NI Multisim10用软件的方法虚拟电子与电工器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。NI Multisim10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。NI Multisim10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验室用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源。而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特
14、图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。NI Multisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。NI Multisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列
15、出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。NI Multisim10有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。另外，NI Multisim10还提供了与国内外流行的印制电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计。利用NI Multisim10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电
16、子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验可方便地对电路参数进行测试与分析；可直接打印输出实验数据、测试数据、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。NI Multisim10易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学，便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力4。4.2 5MHz巴特沃斯的仿真结果54.3 1
17、0MHz巴特沃斯的仿真结果55 系统测试及数据分析5.1 测试仪器表格一 测试仪器与设备序号名称、型号、规格数量备注1SS-7802A双踪模拟示波器（20MHz）1日本岩崎公司（IWATSU）2DT9205N数字万用表1鸿昌滨江电子仪器（深圳）有限公司3TFG2003函数信号发生器（15MHz）1石家庄市无线电四厂4QJ3003AIII 双路可调整直流稳压电源1宁波市鄞州求精电气厂5.2 测试相关数据5.2.1 5MHz 的数据记录和表格表格二(输入信号峰峰值UIP-P=500mV, fh =5.6997MHz）f10Hz99.995KHz3.998MHz4.79997MHz5.0997MHz
18、5.3997MHz5.6997MHzUO(mV)102.4137.5 149.5 125.6113.8100.086.8由表格二画出的OPA690输出有效值与频率的关系如图5-1图5-1表格三(输入信号峰峰值UIP-P=1V, fh =5.4997MHz）f20Hz999.998Hz49.998Khz99.996Khz0.9978 MHz3.9997 MHz4.9998 MHz5.4997MHzUO(mV)249.5260266271.0277.5284237189.5由表格三画出的OPA690输出有效值与频率的关系如图5-2图5-2表格四(输入信号峰峰值UIP-P=2V, fh =5.699
19、7MHz）f500Hz19.999KHz399.98KHz1.999 MHz2.2999MHx3.2998MHz3.998 MHz4.9998 MHz5.6997MHzUO(mV)501.6524548561569583588478348由表格四画出的OPA690输出有效值与频率的关系如图5-3图5-3表格五(输入信号峰峰值UIP-P=3V, fh =4.98998MHz）f50Hz1000Hz99.996KHz0.9998 MHz1.9999 MHz2.998 MHz3.9987 MHz4.4998 MHz4.98998MHzUO(mV)748780800834848866878848720
20、.6由表格五画出的OPA690输出有效值与频率的关系如图5-4图5-4表格六(输入信号峰峰值UIP-P=4V, fh =4.9998MHz）f50Hz99.996KHz299.98KHz0.998 MHz1.998 MHz2.998 MHz4.0998MHz4.4998MHz4.998MHzUO(V)1.01.0761.0961.1101.1221.1541.1801.1200.970由表格六画出的OPA690输出有效值与频率的关系如图5-5图5-5表格七(输入信号峰峰值UIP-P=5V, fh =4.7998MHz）f50Hz99.996KHz299.98KHz0.998 MHz1.998
21、MHz2.998 MHz4.0998MHz4.4998MHz4.7998MHzUO(V)1.2861.3521.3641.3961.4101.4441.4701.3961.304由表格七画出的OPA690输出有效值与频率的关系如图5-6图5-65.2.2 10MHz 的数据记录和表格表格八(输入信号峰峰值UIP-P=1V, fh =9.7996 MHz）f99.996KHz299.98KHz1.4999KHz3.1998MHz6.2997MHz7.3997MHz8.6996MHz9.7996MHzUO(mV)285293300309334340346310由表格八画出的OPA690输出有效值与
22、频率的关系如图5-7图5-7表格九(输入信号峰峰值UIP-P=2V, fh =9.5996 MHz）f99.996KHz299.98KHz1.9999KHz2.9998MHz6.2997MHz7.3997MHz8.6996MHz9.7996MHzUO(mV)556590602612662676670560由表格九画出的OPA690输出有效值与频率的关系如图5-8图5-8表格十(输入信号峰峰值UIP-P=3V, fh =9.6996 MHz）f99.996KHz0.9998MHz1.9999MHz2.9998MHz7.0997MHz7.3997MHz9.6996MHzUO(mV)85090091
23、292610001040980由表格十画出的OPA690输出有效值与频率的关系如图5-9图5-9表格十一(输入信号峰峰值UIP-P=4V, fh =9.4996 MHz）f99.996KHz0.9998MHz1.9999MHz2.9998MHz7.0997MHz7.9997MHz9.4996MHzUO(mV)1190124512851300141514551200由表格十一画出的OPA690输出有效值与频率的关系如图5-10图5-10表格十二(输入信号峰峰值UIP-P=4V, fh =9.1996 MHz）f99.996KHz0.9998MHz1.9999MHz2.9998MHz7.0997M
24、Hz7.9997MHz9.1996MHzUO(mV)1445151015451595170017551690由表格十二画出的OPA690输出有效值与频率的关系如图5-11图5-115.3测试结果分析在测试结果中，通过信号源输入的正弦波信号输出的波形无失真，在低通滤波器3dB通频带05MHz，即低通滤波器上限截止频率基本达到5MHz左右。在05MHz通频带内增益起伏达到设计的基本的要求。低通滤波器3dB通频带010MHz，即低通滤波器上限截止频率基本达到9MHz左右。在09MHz通频带内增益起伏达到设计的基本要求。5.4 结论由于高频电路的干扰非常大，首先在于器件与器件之间的相对位置摆放和走线要
25、布好，因此将元器件摆放得比较紧凑，这样才能让走线尽量短，从而降低交叉干扰，放大器各级尽量按原理图排成直线形式。而且高频对退藕电容的阻值要求很高，所以在选择电容时要十分慎重。6 心得体会毕业设计是一件辛苦的工作。通过本次经验，积累了不少经验，特别是对高频布板和测试有了进一步的了解。在这过程中，锻炼了独立思考的能力，也锻炼分析问题解决问题的能力，相信对我以后的人生会有很大的帮助。致谢本电路设计及论文写作是在我的导师袁放成教授的精心指导和关怀下顺利完成的，在此谨向袁老师表示衷心的感谢。同时也感谢实验室曾给予本次设计帮助的同学。参考文献：1 华成英，童诗白.模拟电子技术基础M.第四版.北京:高等教育出
26、版社,2006,1:357-368.2 21IC Search.COM.OPA690ID英文学习手册.3 王志华，宁彦卿，姚金科.电子滤波器设计M.北京:科学出版社.4 黄智伟，李传琦，皱其洪.基于NI Multism的电子电路计算机仿真设计与分析M.北京：电子工业出版社，2008,11:1-2.5 聂典,丁伟.Multism10计算机仿真在电子电路设计中的应用M.北京:电子工业出版社.英文摘要Design Of Active Low-pass FilterSchool of Physics and Information Engineering ,Electronic Information
27、 Science and Technology070303013 JianpingChenInstructor Professor Fangcheng Yuan Abstract: This was the active low-pass filter whose core was the OPA690ID of integrated op-amp.First NI Multisim10 software simulates fourth-order active low-pass filter circuits,second observing the broadband, then according to the simulation results making hardware circuit, testing gain ups and downs, observation waveform. This design fourth-order active low-pass broadband filter circuit principle diagram is simpler, making the devices easier. Key words: low-pass filter; OPA690ID; NI Multisim10附录 18