超低频信号滤波放大整形电路的设计

目录一、概述.............................................................................................................1二、方案论证.....................................................................................................1三、电路设计.....................................................................................................3四、性能的测试.................................................................................................6五、结论.............................................................................................................8六、性价比.........................................................................................................8七、课设体会及合理化建议............................................................................9参考文献.............................................................................................................9附录I总电路图............................................................................................10附录II元器件清单.......................................................................................111一、概述超低频通信技术是当今世界的一个新兴研究领域，在水下通信系统、海洋、地震检测、核废料处理和环境保护等方面具有广泛的应用前景。工程中，经常采用对建筑结构环境振动的检测，来确定结构的动力特性、核验施工中有无重大的质量问题、检验建筑结构的可靠性、评估建筑结构的安全裕度。一般工程建筑结构的环境振动固有频率多比较低，在0．5Hz～1Oltz之间，通常采用拾振器进行检测。随着高层建筑、高耸建筑结构，大跨度桥梁的不断出现，这些建筑结构的环境振动的频率更低。例如上海金茂大厦固有频率0．162Hz，天津电视塔固有频率为0．176Hz；铜陵长江大桥，固有频率0．32Hz。这些都属于超低频振动信号，由于信号振幅变化缓慢，周期很长，环境干扰和测量系统漂移等因素，对于超低频信号的采集与处理系统的稳定性和精度的要求都很高，并且在电路设计中更加注重信号的直流特性，尽可能的保持信号直流特性的完整性。一般的当我们接受到一个超低频信号时，它并不能被我们直接观察和分析的，而是只有在通过一定的电路处理使之进行滤波、放大、整形输出以后，才可以变成能让我们观察、分析和处理的稳定状态的信号。所以说对于工程上的一般信号必须经过超低频滤波电路、放大电路和整形电路处理，才能得到我们想要的有效信号。整个电路由三模块组成：低通滤波放大电路、波形转换电路和电源电路。滤波的原理是使特定的频率范围内的信号通过，而阻止其它的非理想频率信号的通过。在实际的信号采集中，外来的干扰信号有很多，并且混入理想的信号中，所以我们必须采取有效的措施将这些干扰信号滤除掉。波形转换是采用施密特触发器实现的，将信号整形为方波，以便CPU的后续信号采集和处理。电源部分采用的是倍压整流法，倍压整流电路产生负电压，再用三端稳压器LM7905将电压稳定在所要求的电压值上，为系统供电。二、方案论证设计一个低通滤波放大电路和一个整形电路：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=40Hz，截止带衰减-30dB；输出信号要求是同2频率的标准方波信号；设计一个电源，输入直流5V，输出直流±5V，用于该电路供电。图1系统总体框图1、低通就是让低于某一特定频率信号量通过，而滤除不符合要求信号量，达到过滤“噪声”的效果。对于不同的低通滤波器而言，每个频率的信号强弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器，或高音消除滤波器。低通滤波器一般分为有源低通滤波和无源低通滤波，本次课程设计采用的是有源低通滤波器，即电路由无源元件和有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）共同组成。2、由555定时器组成的施密特触发器：当输入小于1/3VCC时输出为高电平1，当输入大于1/3VCC小于2/3VCC时输出保持不变，当输入的数值大于2/3VCC时输出为低电平0，只要有确定的VCC的值，再输入正弦波就能使通过施密特触发器的波随时间完成高低电平的转换，从而形成方波。由此实现正弦波到方波的转换。3、单稳态触发器：它只有一个稳态，另外还有一个暂稳态。所谓暂稳态，是一个不能长久保持的状态，在暂稳态期间，电路中一些电压和电流会随着电容的充电和放电发生变化。在稳态中，电路中电流及电压是不变的。在单稳态触发器中，没有外加触发信号的作用，电路始终处于稳态；而在外加触发信号的作用下，电路能从稳态翻转到暂稳态，经过一段时间后，又能自动返回稳态。单稳态触发器处于暂稳态的时间通常取决于电容充电和放电的时间，与触发脉冲无关，这个时间等于单稳态触发器的输出脉冲的宽度。tw=RCln（(Vcc-0)/(Vcc-2/3Vcc)）=1.1RC,RC=1就是单稳态触发器的输出脉冲的宽度，且频率为1秒时间内完成振动的次数，由于单稳态触发器的输出脉冲的宽度，使计数器只能记录1秒的正弦波振动次数即为频率。4、在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。5V，1KHz的正弦信号经过三极管推挽放大后。利用倍压整流得到所需负电压（+5V变-4V)，然后再用三端稳压器LM7905将电压稳定在-5V。这里也可以采用集成运放电压负反馈直接构成电源，根据集成运放的计算方法很3容易得到-5V电压，再用上述的稳压器稳压亦可得到符合要求的电压。根据简易和性价比原则，本次设计采用后者设计电源。通过上述理论很容易看出此方案的科学性和可行性，我们可以完成超低频信号滤波放大整形电路的设计。实际环境下的有效信号一般是传感器或通信传输的信号，在本次课设中我们采用函数发生器给出。关于技术指标部分，本次设计采用了FilterPro软件的辅助。滤波器中的滤波放大电路采用TI公司的FilterPro滤波器设计软件生成，只需要将技术指标参数（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=40Hz，截止带衰减-30dB）正确输入即可。三、电路设计1、通过FilterProDesktop软件可以帮助我们完成滤波放大电路的设计，在此采用的是反相输入四阶低通滤波器，即由两个二阶低通滤波器串联起来的（如图2）。这里的反相输入二阶低通电路与同相输入电路类似，增加了RC环节，可以使滤波器的过渡带变窄，衰减斜率的值增大。为了改善fo附近的频率特性，也可以采用压控电压源二阶滤波器相似的方法，即多路反馈的方法。图2四阶低通滤波器方框图滤波放大电路参数：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=40Hz，截止带衰减-30dB。借助于TI公司的FilterPro滤波器设计软件设计滤波放大电路：FilterProDesignReportSchematicDesignName:Lowpass,MultipleFeedback,Gaussianto12dBPart:IdealOpampOrder:4Stages:2Gain:10V/V(19.9984746238476dB)AllowablePassBandRipple:1dBPassbandFrequency:10HzCornerFrequencyAttenuation:16.998dBStopbandAttenuation:-30dBStopbandFrequency:40Hz4图3FilterPro设计的滤波放大电路FilterStage:1FilterStage:2PassbandGain(Ao):3.162PassbandGain(Ao):3.162CutoffFrequency(fn):19.36HzCutoffFrequency(fn):10.74HzQualityFactor(Q):1.04QualityFactor(Q):0.58FilterResponse:Gaussian12dBFilterResponse:Gaussian12dBCircuitTopology:MultiplefeedbackCircuitTopology:MultiplefeedbackMinGBWreqd:6.3665KHzMinGBWreqd:1.9697KHz2、波形转换电路的核心是555定时器组成的单稳态触发器：当输入小于1/3VCC时输出为高电平1，当输入大于1/3VCC小于2/3VCC时输出保持不变，当输入的数值大于2/3VCC时输出为低电平0，只要有确定的VCC的值，再输入正弦波就能使通过施密特触发器的波随时间完成高低电平的转换，从而形成方波。图4单稳态触发器3、供电电源的设计有两种方法，一是倍压整流法，二是集成运算法。在一些需用高5电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。5V，1KHz的正弦信号经过三极管推挽放大后。利用倍压整流得到所需负电压（+5V变-4V)，然后再用三端稳压器LM7905将电压稳定在-5V。倍压整流法复杂，而且所设计出来的电压稳定性很差。集成运算法简单，而稳定，性价比极高，所以电源的设计采用集成运算法。为使得到的电压稳定，在电压输出端都应该接三端稳压器，这里采用的是LM7905（电压输入范围是-7V到-20V,电压输出对应-4.8V到-5.2V，典型值是-5.0V）。下面给出两种电源方案的电路图：图5倍压整流法电路图6图6集成运算法电路图由上可知电源的设计采用集成运算方案更加合理，所以本次课设的电源方案就选取了后者的电路，性价比更高，也贴合实际。四、性能的测试1、信号发生器参数图：图7信号发生器参数设定值2、对应仿真结果图：7图8示波器结果图3、电源性能的测定（上面已经说明电源采用集成运算方案，所以这里的性能测定只针对该方案，倍压整流法就不再测试了）：图9输入电压为5V的参数结果图8图10输入输出电压参数表五、结论本次课设主要是由三部分构成的：滤波放大电路、波形转换电路和电源电路。借助于TI公司的FilterPro滤波器设计软件完成了滤波放大电路的设计，波形转换的核心是555定时器（当输入小于1/3VCC时输出为高电平1，当输入大于1/3VCC小于2/3VCC时输出保持不变，当输入的数值大于2/3VCC时输出为低电平0，只要有确定的VCC的值，再输入正弦波就能使通过施密特触发器的波随时间完成高低电平的转换，从而形成方波。由此实现正弦波到方波的转换），电源的设计是采用了集成运放电压负反馈的原理，从而完成了本次课设。电源的设计方案有