电子工艺课程设计--中频信号滤波放大整形及移相电路设计

课程设计
（说明书）
中频信号滤波放大整形及移相电路设计
班级 / 学号 14070102 / 1052
学生姓名赫婷婷
指导教师赵鑫
课程设计任务书
课程名称电子技术综合课程设计
课程设计题目中频信号滤波放大整形及移相电路设计
课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
设计一个高通滤波放大、整形和移相电路。

实际工作中输入信号一般由传感器产生，本次设计采用函数发生器给出。

输出信号要求整形为是方波信号，以便CPU的后续信号采集和处理。

滤波放大电路建议采用TI公司的FilterPro，这是一款很好的滤波器设计软件。

整形电路建议采用施密特触发器。

移相电路自己选择方案。

技术指标如下：
①高通滤波器设计参数：通带增益Ao=25db，通带频率fc=200kHz，通带增益纹波Rp=1db，截止带频率fs=200k Hz，截止带衰减-10dB。

②设计一个整形电路，将滤波后的信号整形为方波。

③设计一个200kHz方波信号移相电路，相移范围：0-180°。

二、设计要求
1．在选择器件时，应考虑成本。

2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。

3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。

三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。

2．进行实验数据处理和分析。

四、推荐参考资料
1. 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，2006年
五、按照要求撰写课程设计报告
成绩指导教师日期
一、概述
实际中的用途：本设计在实际中主要用于对中频信号进行整形，滤波，放大及移相。

生活中我们所接收到的信号，它并不是可以被我们直接观察和分析的，而是只有在通过一定的电路使之进行放大、滤波、整形输出以后，才可以变成是让我们可以进行分析和观察的处于稳定状态的信号。

所以说对于一般的信号，必须经过有整流电路、滤波电路、放大电路组成的功能模块以后才会变成是对人类观察研究有益的信号。

设计思路：一、设计滤波放大电路并进行仿真，观察波形是否满足要求。

二、运用555芯片构成的施密特触发器进行整形，通过调试得到方波。

三、设计移相电路，采用分频器分频，后运用双D触发器做移位寄存器进行移位。

基本原理：运用高通滤波器对中频信号进行滤波，将不符合要求的信号滤掉，将符合频率的信号进行放大，后用施密特触发器整形成方波，最后在进行分频移相。

设计方法：信号的滤波和放大部分是通过FilterPro软件得出，信号的整形部分是通过斯密特触发器进行整形完成的，移位采用分频后D触发器移位。

报告组成：封面，任务书，报告三大部分。

其中报告分为概述，方案论证，电路设计，性能的测试，结论，性价比，课设体会及合理话建议，参考文献九部分组成。

本实验最终实现了设计初的目的，对中频信号放大滤波，并通过斯密特触发器将输出的波形整形成方波，最后对200kHZ方波进行0-180°移相。

二、方案论证
主要设计方案就是一个可以将中频正弦信号放大滤波后转换为方波信号的电路，并对方波进行0-180°移相。

电路设计总方案：用滤波放大电路把固定频段的中频信号过滤出来并进行放大，再通过555芯片构成的施密特触发器使信号整形为方波信号，最后进行方波0-180°移相。

555构成的施密特电路连接简单且性价比高；运用D触发器进行移相，波形失真较小且电路复杂度一般。

原理框图如图1所示。

图1 中频信号滤波放大整形及移相电路的原理框图
基本方案：把信号发生器产生的中频正弦信号经过滤波电路过滤，只留下需要的信号。

根据设计要求过滤掉不符合设计要求的信号需要设计一个高通滤波放大电路，根据参数通带增益Ao=25db，通带频率fc=200kHz，截止带频率fs=200k Hz。

这样设计出来的电路就可以过滤出所要求的中
频信号，且频率不变，符合要求。

接下来是由555芯片组成的施密特触发器，滤波电路之后的信号进入到施密特触发电路，可以将正弦波转化为同频率的方波。

最后是移相电路，首先用分频器将二倍整形后方波的频率进行分频，将其作为D触发器的时钟信号，控制200kHZ方波移相。

设计基础：555芯片，便于连接，操作简单，引脚较少排列连接便于记忆，并且在数字电子课上接触过。

TI公司的FilterPro，这是一款很好的滤波器设计软件。

通过这些参数设计出需要的电路，其中所用的电阻的阻值和电容的容抗都会在软件设计的电路中体现出来。

最后将设计出的电路图由Multisim软件进行仿真，前面加上函数信号发生器，后面加上由555电路搭成的施密特触发电路，最后加上设计好的移相电路，这样，仿真电路就完成了。

此电路可以将信号发生器的信号过滤放大整形成同频率的方波信号，并可以移相。

有仿真结果知：可以实现预期的要求，但存在一定误差。

科学性：本次电路的主要设计是通过FilterPro软件实现的，这款软件是稳定的，因此具备科学性；可行性：本电路的大部分参数都是通过软件得出的，一部分数据是通过自己的反复调试得出的，参数环境符合要求，具备可行性；有效性：本电路由五部分组成，第一部分发射信号，第二部分对信号进行过滤放大，第三部分对信号进行整形，第四部分对方波进行移相，第五部分滤波器观察波形，满足课设要求。

三、电路设计
1.放大滤波电路：
放大电路选用通带增益Ao=25db，通带频率fc=200kHz，通带增益纹波Rp=1db，截止带频率fs=200k Hz，截止带衰减-10dB。

就可以完成系统对信号滤波放大的要求。

高通滤波放大电路（图2）：
C2
图2 放大滤波电路
其中左端为输入端，右端为输出端，输入的是模拟信号，输出的也是模拟信号。

输入信号为
200kHz 振幅为100mVp 的正弦模拟信号，通过以上公式计算出电路图中元器件的数值，然后在multisim 环境下仿真，在截止频率为200kHz 左右时，截止带衰减-10dB 。

计算
公式：2132233
212
22
2
11111)(R
R C C C C C C C R s s C C s A u +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++
-
=
2
22
c c
uo s Q
s s A ωω++
=
1
1)(2
++=
L L uo L u s Q
s A s A 其中： s s c L ω= ,通带增益： 31C C
A uo -=
截止角频率： c c f C C R R πω212
321==
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=
323
212
111C C C C C R Q
c
ω 截止频率： 2
32121C C R R fc π=
2. 施密特触发器电路：
电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压；与双稳态触发器和单稳态触发器不同，施密特触发器属于“电平触发型”电路，不依赖于边沿陡峭脉冲。

利用它在状态转换过程中的正反馈作用，可以把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。

其设计电路图如下（图3）
图3 施密特触发电路
其中THR 和TRI 接信号的输出端，同时也是施密特触发器的输入端，输入为模拟信号，OUT 端口接输出端，输出的波是数字信号。

3.移相电路：
方案一：用RC 构成一级移相电路，该电路优点是电路结构简单，缺点是在调节相位时，移相角度不大于90度，而且波形幅度的幅度发生变化，特别是移相角度不大于90度不能满足实际需要。

RC 一级移相电路(图4):
图4 RC 一级移相电路
如图为RC 滞后型移相网络，θ<==
•
•
•
•
*||1
2
A v v A ，0
1
2
f f
tg --=
<π
θ，其中RC f π210=。

即调节R 或C ，可以使网络产生0-90°的相移。

方案二：用RC 构成多级移相电路，该电路结构符合移位的需求，可以在0-180°范围内调节相移，但是波形会发生严重衰减。

方案三：利用全通滤波电路来构成移相电路，该电路可以在0-180°范围内调节相位，且幅度基本不变化。

电路图如下（图5）
U2
LM318D
3
2
4
7
6
1
8
5
VCC 5.0V
VDD
-5.0V
R3R410kΩ
R6500Ω
Key=A 95 %C510nF 图5 全通滤波电路
jwRC jwRC A u +--=•
11，0
12,1||f f
tg A -•-==πθ，其中RC f π210=。

由此可以看出，二阶全通滤波电路可以产生0-180°相移。

方案四：在分频电路末端使用D 触发器对方波进行移相。

电路复杂程度 波形失真度 理论可行性
方案一 简单 失真较大 可行 方案二 简单 失真较大
可行
RC移相电路构造简单但生成波形会有较大失真。

全通滤波电路可以进行在
0-180°范围内调节相位，波形失真较小且幅度基本不变化，但构造复杂。

经考虑选择方案四。

（图6）
图6 分频移相
首先将200kHZ的整数倍方波信号输入到十六进制计数器74161进行分频，其时钟信号的输入频率应远远大于该输入信号的频率，这样才可以准确的分频。

为使结果更精确，则采用三块74161元件。

通过分频得到的不同频率信号作为时钟信号输入到D 触发器中，由于D触发器属于边沿触发器，则通过不同的时钟信号会发生不同的寄存移相。

四、性能的测试
1. 放大滤波电路测试：
图7 由Filterpro软件得到的高通滤波放大电路图运用Multisim 13进行的高通滤波放大电路如下（图8）：
XFG1
C1
2.62nF
C2
147.3pF
C3
2.76nF
R1
7.96kΩ
R2
317.7Ω
U1
OPAMP_3T_VIRTUAL
XBP1
IN OUT
XSC1
A B
Ext Trig
+
+
_
_+_
图8 高通滤波放大电路
200kHz振幅为200mVp的正弦模拟信号，通过上述放大电路后，其输出波特图如下（图9）：
图9 200kHz正弦波波特图
观察波特图左下角的数据，说明放大器的设计是正确的。

示波器的输出波形如下（图10）：
图10 放大滤波后图像
其中正弦波为输入信号的波形，通道A 是输入正弦波的波形，通道B 是经过整形放大器输出的波形。

2. 整形电路测试： 整形电路图如下（图11）：
VCC
5.0V
A2
555_VIRTUAL
GND
DIS OUT
RST VCC THR CON
TRI C22.2nF
XSC2
A B
Ext Trig
+
+
_
_
+_
图11 整形电路图
放大后正弦波经过整形电路后变为同频率方波如下（图12）：
图12 正弦波整形为方波图样
输入通道为A 通道，输出通道为通道B ，采用5V 电源供电，输出波形为理论的波形。

与预期相符合。

3. 分频，移相性能测试 分频移相电路图如下（图13）：
U1
74161N QA 14QB 13QC 12QD 11RCO
15
A 3
B 4
C 5
D 6
ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1
CLK
2
XFG1
XFG2
U2A
74HC74D_6V
1D
2
1Q
5
~1Q
6
~1CLR
1
1CLK
3
~1PR
4VCC
5.0V
VCC 5.0V S1键 = 2
S2键 = 3 S3
键 = 4
U3
74161N QA 14QB 13QC 12QD 11RCO
15
A 3
B 4
C 5
D 6
ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK
2
S4键 = 5
S5键 = 6 S6键 = 7 S7
键 = 8
U4
QA 14QB 13QC 12QD 11RCO
15
A 3
B 4
C 5
D 6ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK
2
S8键 = A S9键 = B S10键 = C S11
键 = D
XSC1
A B
Ext Trig
+
+
_
_
+_
XSC2
A
B
Ext Trig
+
+
_
_
+_
S12键 = 1
图13 分频移相电路图
D触发器输入端通以上级整形后200kHz方波，观察两示波器图样。

分频电路结果图如下（图14）：
图14 400kHz分频图像
A通道为200kHz方波图像，B通道为400kHz分频图像。

移相电路结果图如下（图15）：
图15 200kHz方波移相
A通道为移相前200kHz方波，B通道为移相后200kHz方波，由测试结果看，达到课设要求。

4．电路整体性能测试
五、结论
本课程设计是针对中频信号放大滤波整形及对整形后的方波进行0—180°相位
的任意改变。

根据性能测试结果来看，由于放大滤波电路是由Filterpro软件给出，只要在其软件上输入指定的参数值即：通带增益Ao=25db，通带频率fc=200kHz，截止带频率fs=200k Hz，就可以的出相应的电路，并经过实验基本上实现了设计要求。

整形部分运用由555芯片构成的施密特触发器进行整形，参考数电书上的电路图用555芯片和电容搭建出了施密特触发电路并结合仿真，进行多次调试，从测试结果上来看除了信号的峰值改变了以外，准确的将正弦波转换成了方波，基本实现了整形的目的，但存在着一定的误差。

对于移相电路，运用分频器和D触发器，对于这两种器件来讲，自身就存在一定的误差，加上整形电路带来的误差，难免会在一定程度上出现与理论值不太相符的现象，但在整体上来看，基本上实现了设计的要求。

六、性价比
对于本次实验设计，对中频信号放大滤波整形及移相。

在性能上来看，电路基本可以实现对中频波的放大滤波整形及移相。

就价格上来讲，此设计运用到了运算放大器，就LM324来讲0.46元/PCS；555芯片市场平均价个不超过0.50元/PCS；74161N 计数器平均2.00元/PCS；D触发器品均0.75元/PCS。

总体上来看，此实验设计的性价比是比较高的了。

七、课设体会及合理化建议
通过近两周的课设，让我受益匪浅。

在拿到课设题目时，大脑一片空白，没有半点思路。

通过对课题要求的理解以及提供的参考文献，得知这是对模电与数电的综合应用。

之后，在图书馆借阅了相关资料开始学习起来，并运用网上资源也学到不少，比如说运算放大器的选择、施密特触发器的用途、波形移相的方法以及认识到不同波形本质上的区别。

就本课题中对方波移相来说，是我最头痛的一块，书上与网上根本没有具体的说法，能找到的只有正弦波的移相，但运用在方波上就出现失真的状况，
这一块就花费了我整整一个星期的时间，最后在数电书上有了灵感，运用到了D触发器以及计数器，并赶出了这样的一个设计，如果给我更多的时间我会做的更好。

我想这次课设的目的在于将课堂上所学的理论知识运用到生活实际中。

让我学到很多。

建议是希望课设题目多元化，学生可以选择自己喜欢的课题进行研究，并可以给出充足的时间做出实物。

也希望学校多多组织这样的活动，大学生动手能力训练十分重要。

参考文献
[1] 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，2006
[2] 阎石主编. 数字电子技术．[M]北京：高等教育出版社，2006年
[3] 杨兴瑶、张益清、杨震绪. 实用电子电路500例:化学工业出版社，2006年
[4] 丁士圻编．模拟滤波器：哈尔滨工程大学出版社，2004年
[5] 何希才编. 常用集成电路简明速查手册:国防工业出版社，2006年
[6] 王冠华编著.Multisim 10电路设计及应用：国防工业出版社，2008年
[7] 高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计（第二版）：电子工业出版社，2005年附录I 总电路图
XSC1
XBP1
74161N
. .。