低通滤波器的设计

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
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Step2，Gain (Ao):为通带增益20dB ，Allowable Passband Ripple (Rp):默认为1db, Stopband Frequency (fs):截止频率10Hz, Stopband Attenuation (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),Response Type 反映类型:Butterworth 。

进入下一步Stept4：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：
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
T+
与输入信号从高电
平下降过程中对应的输入转换电平V
T-不同，其中V
T+
称为正向阔值电压，V
T-
称为
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。

3
图3 555构成施密特触发器内部结构
1、 当i u ＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q ＝1 ， o u 1
＝o u ＝1。

i u 升高时，在未到达2CC V /3以前，o u 1＝o u ＝1的状态不会改变。

2、（1）当i u ＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q ＝1 ，uo1
＝o u ＝1。

i u 升高时，在未到达2CC V /3以前，o u 1＝o u ＝1的状态不会改变。

（2）i u 升高到2CC V /3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置
0，即Q ＝0 ，o u 1=o u =0。

此后，i u 上升到CC V ，然后再降低，但在未到达CC V /3以前，uo1＝o u ＝0的状态不会改变。

3、（1）当i u ＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q ＝1 ，uo1
＝o u ＝1。

i u 升高时，在未到达2CC V /3以前，o u 1＝o u ＝1的状态不会改变。

i
u o u
（2）i u 升高到2CC V /3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置
0，即Q ＝0 ，o u 1=o u =0。

此后，i u 上升到CC V ，然后再降低，但在未到达CC V /3以前，o u 1＝o u ＝0的状态不会改变。

（3）i u 下降到2CC V /3时，比较器C1输出为1、C2输出为0，触发器置
1，即Q ＝1 ，o u 1=o u =1。

此后，i u 继续下降到0，但o u 1＝o u ＝1的状态不会改变。

施密特触发器产生的波形如图4所示
:
图4 施密特触发器波形图
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5：
图5单稳态触发电路
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
1RC .1RCln3V 3
2
V 0
V RCln
t CC CC CC w ==--=
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up A .
为输出电压最大值与输入电压最大值之比，则通带增益=20log|up A .
| 频率为1~10Hz 时，通带增益如表2
表2
若up A 为输出电压最大值与输入电压最大值之比，则截止带增益=20log|up A | 频率为11~20Hz 时，截止带增益如表3
表3
输入信号频率为7Hz时的波形如图7所示
图7 输入输出波形
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如表1
表1 输入输出相位差
输入频率为7Hz时的输出显示如图8
DCD_HEX 12
31
图8 测试图
五、结论
根据多次实验测试结果如下：本设计的滤波器只允许频率低于10Hz的信号通过，经过施密特触发器和单稳态触发器对信号的分析处理，数码管直接显示信号的频率。

根据任务书的设计指标，本设计基本满足设计要求，测试结果正确，但是由于条件有限，考虑设计成本研发时间很短，本设计还存在不足之处，没有一个程序员能设计出完美的程序，滤波器设计也是如此，都存在不足的地方。

由于外部器件和其它因素，本设计测量时间稍长，存在一定的误差。

采用555定时器构成单稳态触发器测量结果不够精确，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，程序需要进一步改善。

六、性价比
性价比一直是人们购买物品时首要考虑的部分，本设计采用了555定时器，其价格便宜性能优越，很适合低通滤波器的频率测量环节，深受广大用户的亲来。

由TI公司的FilterPro滤波器设计软件设计出的滤波器结构简单性能优越，需要器件少，自然需要花费的金钱和精力会大大减少。

七、课设体会及合理化建议
通过此次课程设计，使深深的感受到了知识力量的强大。

该设计运用了我们学过的模拟电子技术和数字电子技术的知识，通过查询资料、数据整理，使我对这些知识有了更为深刻的了解。

通过这次电子系统设计，我们掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。

此次电子设计的成功不仅帮助我们更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我的自信，培养了我们独立思考的能力！
这次设计过程虽然经历了短短的两周时间，但我们深深的磨砺了自己意志。

有遇到困难不知如何处理时内心的苦涩，也有排除困难后发自内心的甜美，真是苦中有甜啊。

通过这次课设让我深深感受到了无论遇到任何困难要保持心态平静，虚心查找问题所在的重要性。

面对即将到来的考试和课设急需完成的压力，我不停地告诫自己：不管发生了什么事，都要把眼前要处理的事情做好才是最重要的。

做任何事都要认真不能分心，要做就要尽自己最大的努力做到最好。

在这过程中，我感受到了赵老师对学生的那种诲人不倦的精神，当我们遇到些不能解决的问题时，赵老师都给予我们一些建议并没有直接告诉我们答案，锻炼了我们的动手能力，让我们越来越成熟，使我们少走弯路，顺利完成设计任务，请允许我向你致意崇高的敬意，感谢老师！
参考文献
[1]姚福安. 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.
[5]沙占友、李学芝著 . 中外数字万用表电路原理与维修技术.
附录I 总电路图
附录II 元器件清单。