超低频信号滤波放大整形电路的设计

沈阳航空航天大学

课 程 设 计

（说明书）

超低频信号滤波放大整形电路的设计

班级 / 学号 04070202-2069 学 生 姓 名 杨 贺 指 导 教 师 赵 鑫

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沈阳航空航天大学

课 程 设 计 任 务 书

课 程 名 称 电子技术综合课程设计 院（系） 自动化学院 专业 自动化 班级 04070202 学号 2010040702069 姓名 杨贺 课程设计题目 超频信号滤波放大整形电路的设计 课程设计时间: 2012 年 12 月 24 日至 2013 年 01 月 06 日 课程设计的内容及要求：

一、设计说明

设计一个低通滤波放大电路和一个整形电路。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，本次设计不要求对输出信号做处理。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。 二、技术指标

1．滤波放大电路参数：通带增益Ao=20db，通带频率fc=10Hz，通带增益

纹波Rp=1db，截止带频率fs=40 Hz，截止带衰减-30dB。 2．输出信号要求是同频率的标准方波信号。

3．设计一个电源，输入直流5V，输出直流±5V，用于该设计电路供电。 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．设计方案给出后，要求使用仿真软件multism进行仿真测试。 3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。 4．书写课设报告。

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四、实验要求

1．根据设计方案制定实验方案。

2．设计方案给出后，要求使用multism进行仿真测试，并且给出测试数据。 3．对比设计参数和仿真参数，进行实验数据处理和分析，给出结论。 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.

六、按照要求撰写课程设计报告

指导教师 年 月 日 负责教师 年 月 日 学生签字 年 月 日

成绩评定表

评语、建议或需要说明的问题： 指导教师签字： 日期：

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成 绩

一、概述

实际中的用途：本设计在实际中主要用于对低频信号进行整形，滤波，放大。选出符合要求的频率段，通过施密特触发器的整形电路将低频信号转化为同频率的标准方波信号，便于CPU的采集和处理。

设计思路：首先把滤波放大电路设计好，然后在仿真软件Multisim中进行连接，并观察其波形。最后把电路连接到555芯片制作的施密特触发器上，连接好之后开始调试。最终就能实现把低频信号滤波整形成同频率的方波信号了。

基本原理：本设计最终实现了把频率在要求范围内的信号留下，其他频率的信号过滤掉。通过低频滤波电路后把留下的低频信号放大整形，最后通过施密特触发器变成方波信号。仿真时把滤波放电路的输出和施密特触发器的输出同时连接到示波器的双通道上，就可以同时看到方波和正弦波了。

设计方法：通过所给出的FilterPro软件及任务书上所给出的数值，可以画出滤波器的电路图，然后通过一些数电的方法，对施密特触发电路进行连接，并用设计好的电源供电，最后通过示波器观察输出波形。

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，参考文献几部分组成。

最后实现的目标：成功得到了符合要求的方波波形。

二、方案论证

主要设计方案就是一个可以将超低频信号转换为方波信号的电路和一个输入5V输出±5V的电源。

1.电路设计总方案：用滤波放大电路把固定频段的超低频信号过滤出来，然后通过555芯片构成的施密特触发器使信号变成方波信号。555构成的电路连接简单且性价比高。

电路方案原理框图如图1所示：

信号发生器 滤波放大电路 图1 低频信号滤波放大整形电路原理图

施密特电路 示波器

电源模块 基本方案：本方案根据信号的特性，把信号发生器产生的信号经过滤波电路过滤，只留下需要的信号。通过两级电路滤波放大去掉低频信号和中频信号，留下超低频信号，根据设计要求过滤掉不符合设计要求的信号。所以需要设计一个

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低通滤波放大电路，根据参数通带增益Ao=20db，通带频率fc=10Hz，截止带频率fs=40 Hz。这样设计出来的电路就可以过滤出所要求的超低频信号，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。

设计基础：555芯片是数电教材上的芯片，经过一系列的学习，我们对其实比较了解的，用它来制作施密特触发电路对我们来说更容易一些也更容易接受。555芯片，便于连接，操作简单，引脚较少排列连接便于记忆，这也是我们选择他的原因。FilterPro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，并由自己设计的电源供电，然后连接到示波器上，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，经验证电路设计合理，可以实现预期的要求，但是误差还是有的。

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：本电路由四部分组成，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，第四部分滤波器观察波形，满足课设要求。

2.电源设计方案：通过由555芯片搭成的震荡电路实现升压的过程，然后将升大的电压通过LM7905CT芯片使其输出-5V电压，尽管有些误差，但也算能得到电源。

三、电路设计

电路的设计分为模拟电路部分和数字电路部分，外加上一个电源设计。 1.模拟电路的设计：由FilterPro软件设计可知，滤波放大电路分为两级滤波放大，如图2、3所示。第一级滤波电路输入的是电压信号，其电路包括电阻R1、R2、R3电容C1、C2和一个运算放大器。运算放大器的原理是通过虚短虚短来计算出电阻的阻值以及电容的容抗，其中电容是同交流阻直流，起到滤波的作用电阻用于辅助电容而且也与运算放大器一起起到了放大的作用。第一级放大电路的作用是：对输入的正弦波进行滤波和放大。下面是计算第一级电路部分的公式和电路图。 公式如下：

AUP(s)AU(s)?111

1?sC2R2R3(??)?S2C1C2R2RfR1 R2R3

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1f0?2?C1C2R2R3UI?UMUM?U0UM???UMsC1R1R2R2

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图2 第一级滤波放大电路

uo1第二级滤波放大电路是以第一级电路的输出作为输入信号，也是电压信号，模拟信号，本级放大电路与第一级放大电路的结构是一样的，也是由电阻电容运算放大器构成，只是部分电阻的阻值和电容的容抗不同，包括电阻R4、R5、R6、和电容C3、C4和运算放大器。由于大体结构与第一级运放相同，所以本部分的计算公式也与第一部分一致，只是电阻和电容的参数不一样，第二级放大电路的作用是：把第一级的输出信号继续放大成为第二级放大信号。电路图如下：

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图3 第二级滤波放大电路

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2.数字电路的设计：设计的最后一部分是一个有555芯片搭建的施密特触发电路，属于数字电路部分。输入的是模拟电路部分的输出信号，即过滤放大的正弦波，输出的事数电信号就是要求的方波信号，本电路的主要部分就是施密特触发电路还有一些电阻、电容、自己设计的电源，其中芯片的THR引脚连接电阻和电容，数值都是进过反复计算得出来的，RST引脚与VCC引脚都连接到一个5V的直流电源上，TRI引脚和GND引脚之间连接一个电阻。再把THR引脚与TRI引脚也练到一起便组成了施密特触发器。数字电路部分就是这个施密特触发电路，与之前的两级放大电路，后面需要的电源电路一起构成了本次实验的全部电路，施密特触发电路的作用是：将之前经过滤波放大的信号进行整形为方波。 公式如下：

10?UCC?U(?)?U(O) 3Ctw2??2lnC??2ln??2ln2?0.7R2C2UC(?)?UC(tW2)

0?UCC3

?t?t?0.7(R?R)C?0.7RC?0.7(R?2R)CTw1w212212

电路图如下：

图4 施密特触发电路

1U?U? CCCCU()??U(O)3CCt?ln??ln??ln20?.7(RR?)Cw111212 ?2U()??U(t1)CCWU?UCCCC 3q?tw1/T?(R1?R2)/(R1?2R2)uo3uo27

3.电源设计：将555定时器产生的振荡脉冲，通过二极管电路整流后向电容充电，使电容充电至电源电压，将这样的整流和充电电路逐级连接，便可得到2倍，3倍，4倍，甚至于多倍于电源电压的升压电路。本设计中是先将电源电压升至2倍的，然后用LM7905CT芯片使其变到-5V，它是一种线性稳压器，固定输出-5V。这样便完成了电源的设计。但是在仿真的过程中，升压过程是实现了，电压由5V升到了9V多，但是在经过LM7905CT芯片后出来的不是-5V的电压，而是-5.61V，这可能是仿真的问题，但是误差在允许的范围之内，所以，本电源设计的相对较合理，所用的器件也都是在仿真软件中可以找到的。 电路图及测试值如下：

图5 电源电路

四、性能的测试

根据任务书上的说明，设计的内容为超低频滤波放大整形电路，信号源由信号发生器提供，在信号发生器输入30Hz的输入信号，然后经过设计好的电路进行滤波放大。首先经过第一级放大电路，输入的信号是模拟电压信号，经过第一级放大滤波电路滤掉一部分，然后将信号继续输入给第二级放大滤波电路，第一级放大电路的输出电压信号就是第二级放大电路的输入电压信号。在电压信号从第二级电路出来以后，便完成了对电压信号的滤波放大的过程，最后电压信号在经过滤放大之后进入施密特触发电路，输入的正弦信号在经过施密特触发电路后

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变为了同频率的方波信号，其中施密特触发器是由555芯片与电容电阻构成的，他们的值是反复调试的出来的，将555芯片的位置输入端2脚与复位输入端6脚连在一起作为信号输入端，3脚作为输出信号，4、8脚长接高电平，1接低电平。当频率为39Hz时，仍有方波出现，而将频率调到40Hz时，方波就不在出现。虽然也有点误差，但也基本实现了课设要求，电路基本上算是设计成功！ 滤波放大电路的参数如图所示：

表1 滤波放大电路整体参数

通带增益A0(db) 20 通带频率 fc（Hz) 10 通带增益 截止带频率Rp（db） fs（Hz） 1 表2 性能测试表

截止带衰减（dB） -30 40 频率Hz 0.001 通带增益db 示波器波形：

10 20 7.883 30 -0.944 50 100 500 19.998 17.009 -13.42 -31.148 -73.065

图6 频率为39Hz时的波形

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图7 频率为40Hz时的波形

五、结论

这次课设，对我来说，做的比较一般，最终是实现了将超低频信号转换成方波信号，并且保持频率不变。基本符合课设要求，还有不足的地方就是电路中的某些元件的数值不是很准确，这也造成了输出的数据上有一点偏差，数据上的不足，不是很影响图像的整体效果。本次电路设计，我觉得最难的地方就是第一第二级的滤波放大电路的设计，这对我来说是有一些难度的，不过还好，有老师给我们的FilterPro软件，这款软件很强大，可以帮我们设计出我们需要的放大滤波电路，只要你输入了对应的要求的数字，它就会为你设计出符合要求的电路，而且更难能可贵的是还有好多种方案供我们各组的同学进行选择，这款软件真的帮了我们很多。接下来是施密特触发电路的设计，这就用到了我们数字电子里的知识了，经过反复的调试，我用555芯片和电阻电容搭建出了施密特触发电路，也算是勉强过得去。最后就是电源的设计，我用模电的知识，通过运算放大器两个阻值相同的电阻和一个反相器构成了输入+5V输出为+5V、-5V的电源，用于为741和施密特触发器供电。我觉得这次课设最大的难点就是模拟电路和数字电路的结合，另外对这个滤波电路的不熟悉也导致了计算上的误差，不过很幸运，最后成功的出现了方波，实际工作中输入信号一般有传感器产生，转化成方波之后，便于CPU的采集和处理。因此，出现了方波，也就算是勉强合格吧。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g2dd.html