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   陈剑萍                学  号 070303013            

指导教师     袁放成              职  称    教授          

完成日期           2011年4月                              

教务处  制

目录

引言    4

1.滤波器的发展史    4

2.滤波器的基础知识    4

2.1滤波电路的定义    4

2.2滤波电路的种类    4

2.3有源低通滤波器的种类    6

3 系统总体设计    6

3.1 有源低通宽带滤波电路的指标要求    6

3.2 设计思路    7

3.3 OPA690ID的引脚图    7

3.4  电路原理    7

4.软件NI Multisim10仿真有源低通滤波器    8

4.1 软件NI Multisim10的简介    8

4.2  5MHz巴特沃斯的仿真结果    9

4.3  10MHz巴特沃斯的仿真结果    10

5  系统测试及数据分析    10

5.1 测试仪器    10

5.2 测试相关数据    11

5.2.1   5MHz 的数据记录和表格    11

5.2.2   10MHz 的数据记录和表格    14

5.3测试结果分析    16

5.4 结论    16

6  心得体会    16

致谢    16

参考文献：    17

英文摘要    17

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  070303013 陈剑萍

指导教师  袁放成   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，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、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。

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          (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0～10MHz；

（2） 在0～10MHz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[2]

1，5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、Ultiroute及Commsim4个部分相互，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，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[5]

4.3 10MHz巴特沃斯的仿真结果[5]

5  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

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）

图5-1

表格三(输入信号峰峰值UIP-P=1V, fh =5.4997MHz）

图5-2

表格四(输入信号峰峰值UIP-P=2V, fh =5.6997MHz）

图5-3

表格五(输入信号峰峰值UIP-P=3V, fh =4.998MHz）

图5-4

表格六(输入信号峰峰值UIP-P=4V, fh =4.9998MHz）

图5-5

表格七(输入信号峰峰值UIP-P=5V, fh =4.7998MHz）

图5-6

5.2.2  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）

图5-7

表格九(输入信号峰峰值UIP-P=2V, fh =9.5996 MHz）

图5-8

表格十(输入信号峰峰值UIP-P=3V, fh =9.6996 MHz）

图5-9

表格十一(输入信号峰峰值UIP-P=4V, fh =9.4996 MHz）

图5-10

表格十二(输入信号峰峰值UIP-P=4V, fh =9.1996 MHz）

图5-11

5.3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0～5MHz，即低通滤波器上限截止频率基本达到5MHz左右。在0～5MHz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0～10MHz，即低通滤波器上限截止频率基本达到9MHz左右。在0～9MHz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 Filter

School of Physics and Information Engineering ,Electronic Information Science and Technology

070303013  JianpingChen

Instructor 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

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