3Protel99se的安装于使用与滤波器的设计

第三章Protel99se的安装与电路原理图的设计重点：利用Protel99se设计电路原理图难点：各种滤波器的设计(请在课前查阅滤波器的相关内容：包括RC,RLC,运算放大器构建的一阶，二阶滤波器)。一.Protel99se软件简介Protel是PROTEL公司在20世纪80年代末推出的CAD工具，是PCB设计者的首选软件。它较早在国内使用，普及率最高，几乎所在的电路公司都要用到它。早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用，其最新版本为ProtelDXP，现在普遍使用的是Protel99SE，它是个完整的全方位电路设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务体系结构），使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100%布通率。二.Protel99se的安装三.Protel99se设计PCB电路板的过程1电路原理图设计步骤（1）新建电路原理图；（2）启动电路原理图编辑器；（3）设置图纸和工作环境；（4）加载元件库；（5）放置元件库；（6）调整元器件布局；（7）进行布线及调整；（8）报表文件的生成；（9）文件的保存与输出；四、滤波器（BandPassFilter）的设计1、滤波器定义所谓滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，对输入或输出的信号中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。一般可实为一个可实现的线性时不变系统。2、滤波器的分类常用的滤波器按以下类型进行分类。1)按所处理的信号：按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。2)按所通过信号的频段按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。3)按所采用的元器件按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。无源滤波器：仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。4)按照阶数来分通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。带通滤波器（band-passfilter）是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。3、低通滤波器的一些概念1、单位分贝：是用对数的方式描述相对值，无量纲。B贝尔（A/B）(贝尔)=lg（A/B）=lg(A)-lg(B)dB分贝（A/B）(分贝)=101g（A/B）对于幅频响应，其中3dB：功率为2倍（10*1g2=3.01），电压或电流为1.414倍。|)(|jHAAxy|))(lg(|20)(|)(|jHdBjH4、一阶RC低通滤波器频率响应幅频特性：2)(11|)(|RCjH；相频特性：)arctan()(RC；截止角频率RCc1时，振幅21||H=-3dB式中为ω输入信号的角频率，令τ=RC为回路的时间常数，则有RCfcC21212，Cf为截止频率。通过Multisim进行模拟得到截止频率为1KHz的RC滤波器幅频和相频特性曲线，τ=RC=0.1592ms，只需要RC的乘积为此值既可。取R=1KΩ，C=0.15μ设计出滤波器电路，进行模拟。CjCjRCjjH11)/1(1)(得到的频谱图和相位图如图所示。可以看到在-3dB的截止点，频率为1kHz所以满足设计要求。在相位图上可以看到该点对应的角度为45°。总结：适当改变电路中R或C的取值，可改变截止频率。设计低通滤波器时，应使截止频率大于有用信号的频率。根据截止频率，算出时间常数τ=RC的值，然后根据需要选取所需的电阻与电感既可。不过RC滤波器在较低的信号源阻抗和较高的负载阻抗下才比较好的效果。5.二阶RC无源低通滤波器采用1阶无源RC滤波器觉得不够满意地方可以采用RC滤波器简单地多级连接的方法。但需要较低的信号源阻抗和较高的负载阻抗。在RC滤波器多级连接时，如果各级都采用相同的R、C值，由于相互之间存在阻抗的影响，在截止频率附近会使截止频率下滑。改进的方式是采取从低阻抗到高阻抗的顺序排列。典型的二阶RC低通滤波电路如下可以求得)(|)(|311)(222jHRCjCRVVjwHio22222229)1(1|)(|CRCRjH)13arctan()(222CRRC截止角频率3742.06724.21RCc，截止频率2cHf通过Multisim进行模拟得到截止频率为1KHz的RC滤波器幅频和相频特性τ=59.58μs。取R=10kΩ,Ｃ≈6nF.仿真曲线如下总结：在-3dB时的截止频率为1kHz满足设计要求，同时可以看到，由于阶数的增加，相位的变化范围也增加。在中间点的相位为90度。由于只需要使τ=RC满足特定值，因此有无数的设计方案。但是为了防止截止频率下滑，特别是在设计2阶以上的RC低通网络时最好按照阻抗从小到大排列，这样会得到更好的衰减效果。6.有源滤波器的基本概念由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)等滤波器，它们的幅频特性如图3-1所示。由于具有理想幅频特性的滤波器很难实现，只能用实际的幅频特性逼近。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。6.1单元电路的设计6.1.1二阶RC有源低通滤波器(LPF)的设计（1）低通滤波器特性图3-2（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图3-2（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。(a)电路图(b)频率特性图3-2二阶低通滤波器（2）电路性能参数二阶低通滤波器的通带增益截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。当23upA时，Q1，在处的电压增益将大于upA，幅频特性在处将抬高如图2-2所示。当upA≥3时，Q=∞，有源滤波器自激。由于将接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。（3）参数计算设定低通滤波器的截止频率为400Hz、品质因数Q=0.707，由公式得出Aup=1.58，又由得出0.581RfR，由此设定Rf=9.1kΩ,R1=15kΩ；为简化计算，设定R2=R3=R,C1=C2=C；又根据截至频率，初步确定电容值C1=C2=C=0.01Uf，由得出R2=R3=39kΩ6.1.2二阶RC有源高通滤波器（HPF）的设计（1）高通滤波器的性能与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。只要将图3-3低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图3-3(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照LPH分析方法，不难求得HPF的幅频特性。(a)电路图(b)幅频特性图3-3二阶高通滤波器（2）电路性能参数：二阶高通滤波器的通带增益截止频率，它是二阶高通滤波器通带与阻带的界限频率。品质因数，它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。当时，幅频特性曲线的斜率为+40dB/dec；当upA≥3时，电路自激。电路性能参数upA、0f各量的函义同二阶低通滤波器。图3-3（b）为二阶高通滤波器的幅频特性曲线，它与二阶低通滤波器的幅频特性曲线有“镜像”关系。（3）参数计算：设定低通滤波器的截止频率为f0=2kHz、品质因数Q=0.707，由公式得出Aup=1.58，又由得出0.581RfR，由此设定Rf=9.1kΩ,R1=15kΩ；为简化计算，设定R2=R3=R,C1=C2=C；又根据截至频率f0=2kHz，初步确定电容值C1=C2=C=0.01Uf，由得出R2=R3=8.2kΩ6.1.3二阶RC有源带通滤波器（BPF）的设计（1）带通滤波器特性带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制，注意：要将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。如图3-4所示。(a)带通滤波器原理框图（b）电路图(c)幅频特性图2-4二阶带通滤波器（2）电路性能参数Aup=Aup1+Aup2二阶带通滤波器的通带增益fH=1/(2πR1C1）二阶低通滤波器的截止频率FL=1/(2πR2C2)二阶高通滤波器的截止频率F0=（fH+fL）/2中心频率Q=f0/(fH-fL）品质因数，其大小影响滤波器在截止频率处幅频特性的形状（3）参数计算：从图2-4中我们知道此带通滤波器是由高通和低通滤波器串联而成，设其频带为B=800Hz——1.6kHz,其中高通滤波器的截止频率为带通滤波器的上限频率，低通滤波器的截止频率为带通滤波器的下限频率，设电压增益Aup=4，则高通和低通滤波器的电压增益各为Aup=2。初步设电容：C1=C2=C3=C4=0.01uF由fH=1/(2πR1C1）和FL=1/(2πR2C2)得：低通R3=R4=10kΩ，R5=R6=20kΩ又则Rf1=R1=Rf2=R2=5.1kΩ五、Protel99se完成滤波器电路原理图