第三章第三章 Protel99seProtel99se 的安装与电路原理图的设计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：包括请在课前查阅滤波器的相关内容：包括RC,RC, RLC,RLC, 运算放大器构建的一阶，二阶滤波器运算放大器构建的一阶，二阶滤波器) )。一一. . Protel99seProtel99se 软件简介软件简介 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Protel ，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。二二.Protel99se 的安装的安装三三.Protel99se 设计设计 PCB 电路板的过程电路板的过程1 1 电路原理图设计步骤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（四、滤波器（Band Pass Filter）的设计）的设计1、滤波器定义、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、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-pass filter）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、低通滤波器的一些概念1、单位分贝：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)=10 1g（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)( | )(|jHdBjH4、一阶、一阶 RC 低通滤波器低通滤波器频率响应频率响应幅频特性：；2)(11| )(|RCjH 相频特性：；)arctan()(RC截止角频率截止角频率 时，振幅=-3dBRCc1 21|H式中为 输入信号的角频率，令 =RC 为回路的时间常数，则有，为截止频率。RCfc C 21 21 2Cf通过 Multisim 进行模拟得到截止频率为截止频率为 1K1K HzHz 的 RC 滤波器幅频和相频特性曲线，=RC=0.1592ms，只需要 RC 的乘积为此值既可。取 R=1K，C=0.15 设计出滤波器电路，进行模拟。CjCjRCjjH11 )/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 =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. 二阶二阶 RC 无源低通滤波器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)(222jHRCjCRVVjwHio22222229)1 (1| )(|CRCRjH )13arctan()(222CRRC 截止角频率，截止频率3742. 0 6724. 21RCc 2c Hf通过 Multisim 进行模拟得到截止频率为 1K Hz 的 RC 滤波器幅频和相频特性=59.58s。取 R=10k,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 =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 upA3 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 3）参数计算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0.581Rf R ，由此设定 Rf=9.1k,R1=15k；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=39k6.1.2 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+40 dB/dec；当 upA3 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0.581Rf R ，由此设定 Rf=9.1k,R1=15k；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=8.2k6.1.3 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/(2R1C1） 二阶低通滤波器的截止频率 FL=1/(2R2C2) 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=800Hz1.6kHz,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