38

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение Образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Факультет заочного обучения

Кафедра: сетей телекоммуникаций

Курсовой проект

по дисциплине:«Прикладное программирование»

на тему: «Проектирование устройств фильтрации»

Выполнил студент гр. Специальности МСТК		Проверил: Оценка: ________________ ________________________ (подпись) ________________________ (дата)

2011 Содержание

Введение ……………………………………………………………………………..3

1 Обзор ПО для проектирования устройств фильтрации………………………....4

2 Метод проектирования устройств фильтрации по рабочим параметрам ……..8

3 Виды аппроксимации частотных характеристик:

3.1 Общие сведения об аппроксимации частотных характеристик ……..11

3.2 Аппроксимация по Баттерворту………………………………………..12

3.3 Аппроксимация по Бесселю…………………………………………….13

4 Вывод передаточной функции фильтра по структуре Саллена-Кея………….14

5 Моделирование фильтра на функциональном уровне в MathCAD в частотной и временной областях (АЧХ, ФЧХ, ХРЗ,ХГВЗ, ИХ, ПХ) в нормированном и денормированном виде………………………………………………..…………...22

6 Разработка принципиальной схемы фильтра, расчет элементов……………..27

7 Моделирование фильтра на схемотехническом уровне в Electronics Workbench в частотной и временной областях, АЧХ, ФЧХ, ХРЗ, ИХ, ПХ (расчет в денормированном виде)………………………………………………...30

8 Измерение АЧХ фильтра в EW с помощью ЛЧМ…………………………...…34

Заключение……………………………….………………………………………....36

Литература………………………………………………………………………….37

Приложение А

Введение

Электрическим фильтром называется устройство, предназначенное для пропускания из спектра входного электрического сигнала тех гармонических составляющих, частоты которых расположены в определенной полосе частот (полоса пропускания или прозрачности), и подавления тех составляющих, частоты которых лежат вне этой полосы.

В отличие от пассивных RC-фильтров, активные фильтры обеспечивают более качественное разделение полос пропускания и затухания. В них сравнительно просто можно регулировать неравномерности частотной характеристики в области пропускания и затухания, не предъявляется жестких требований к согласованию нагрузки с фильтром. Все эти преимущества активных фильтров обеспечили им самое широкое применение.

В активных фильтрах, или фильтрах с обратными связями, используется параллельное соединение и другие виды соединений четырехполюсников. Четырехполюсник, по которому сигнал проходит с входа на выход, является неселективной цепью с коэффициентом передачи, не зависящим от частоты. В качестве такого четырехполюсника часто используют операционный усилитель. Четырехполюсник обратной связи обычно содержит селективную цепь.

Предметом курсового проектирования является синтез заданного согласно заданию активного фильтра.

1 Обзор по для проектирования устройств фильтрации

Основными электронными САПР являются:

• CircuitMaker. http://www.circuitmaker.com/

• PSPICE A/D. http://www.orcad.com/

• ViewLogic. http://www.innoveda.com/.

• Micro-Cap. http://www.spectrum-soft.com/

• Multisim by Electronics WorkbenchElectronic http://www.electronicsworkbench.com/

• PeakFPGA. http://www.peakfpga.com/

• FPGA Studio. http://www.cadence.com/

• eProduct Designer. http://www.innoveda.com/

• SystemView. http://www.elanix.com/

• Microwave Office. http://www.mwoffice.com/

• EMPIRE. http://www.imst.de/

• P-CAD. http://www.pcad.com/.

• OrCAD 9.2. http://www.orcad.com/.

• PCB Design Studio. http://www.pcb.cadence.com/.

• Elektra-CAD. http://www.desktop-eda.com.au/

Охарактеризуем некоторые из них.

Для решения более сложных задач наилучшим образом подходит программа PSPICE A/D. Эта программа была изначально разработана компанией MircoSim и входила в состав пакета DesignLab. Впоследствии она вошла в состав пакета OrCAD компании Cadence. Эта программа может выполнять самые различные виды анализа, а также имеет ряд функций просмотра результатов расчета, не доступных в других системах моделирования. Дополненная специальным модулем PSPICE Optimizier, она позволяет не только моделировать, но и оптимизировать схемы по различным критериям. Цена программы существенно выше, однако имеются ограниченные бесплатные версии для студентов.

Основные характеристики Micro-Cap 8:

- многостраничный графический редактор принципиальных схем, поддерживающий иерархические структуры;

- поведенческое моделирование аналоговых и цифровых компонентов, возможность описания цифровых компонентов с помощью логических выражений. В сочетании с библиотекой графических символов типовых операций (суммирование, вычитание, умножение, интегрирование, применение преобразования Лапласа, Z- преобразования и т. п.). Это позволяет моделировать динамические системы, заданные не только принципиальными, но и функциональными схемами;

- большая библиотека компонентов, включающая в себя наиболее популярные цифровые интегральные схемы дискретной логики и PLD и аналоговые компоненты типа диодов, биполярных, полевых и МОП-транзисторов, магнитных сердечников, линий передачи с потерями, макромодели операционных усилителей, кварцевых резонаторов, датчиков Холла и т. п. Все эти модели написаны в стандартном формате SPICE и могут быть использованы с программами моделирования фирм Altium, Cadence, IntoSoft и др.;

- макромодели компонентов могут быть представлены в виде принципиальных электрических схем или в текстовом виде;

- графики результатов выводятся в процессе моделирования или после его окончания по выбору пользователя, имеются сервисные возможности обработки графиков;

- многовариантный анализ при вариации параметров и статистический анализ по методу Монте-Карло;

- имеется специальная программа MODEL для расчета параметров математических моделей аналоговых компонентов по справочным или экспериментальным данным;

Для Micro-Cap 8 имеется студенческая или демонстрационная версия, которая предназначена для моделирования простейших схем содержащих не более 50 компонентов или 100 связей (количество связей равно числу узлов + число индуктивностей + число источников сигналов), что вполне достаточно для студентов младших курсов и проверки несложных проектов. Программа Micro-Cap 8 очень удобна для первоначального освоения схемотехнического моделирования электронных схем. Наибольшее распространение она может получить при обучении студентов.

Multisim Electronics Workbench обеспечивает рисование схем сбор и моделирование в PSPICE, VHDL и Verilog. Имеет простой графический редактор с возможностью анимации. Позволяет рисовать объемные 3d схемы. Результаты анализа выводятся на виртуальные инструменты, устроенные аналогично реальным. Идеален для педагога и студента. По своим возможностям моделирования близок Micro-Cap.

Основные достоинства программы

• Экономия времени.

• В Electronics Workbench все элементы описываются строго установленными параметрам, поэтому каждый раз в ходе эксперимента будет повторяться результат, определяемый только параметрами элементов и алгоритмом расчета.

• Удобство проведения измерений

Программа Electronics Workbench позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов.

Возможность изменения цвета проводников позволяет сделать схему более удобной для восприятия. Можно отображать различными цветами и графики, что очень удобно при одновременном исследовании нескольких зависимостей. Стандартный интерфейс Windows Программа Electronics Workbench использует стандартный интерфейс Windows, что значительно облегчает её использование. Интуитивность и простота интерфейса делают программу доступной любому, кто знаком с основами использования Windows. Программа предполагает овладение необходимыми правилами и приёмами работы с ней.

Пакет SystemView компании Elanix также позволяющий моделировать логические схемы и упаковывать их в ПЛИС фирмы Xilinx http://www.xilinx.com/. Однако уровень моделирования проекта здесь принципиально другой - эта программа предназначена для моделирования систем на уровне структурных схем. Здесь используются поведенческие модели, позволяющие оценить работоспособность проекта на вентильном, а не на схемотехническом уровне. К достоинствам пакета можно отнести наличие мощного модуля синтеза цифровых фильтров, к недостаткам - совместимость лишь с устаревшей версией Xilinx CORE Generator 1.5, в то время как сейчас имеются версии 3 и выше данного программного обеспечения. Это объясняется тем, что фирма Xilinx переключила свое внимание на имеющий сходные возможности, но дешевый продукт Simulink 4.0 компании Math-work http://www.mathworks.com/.

Microwave Office. http://www.mwoffice.com/

Пакет Microwave Office 2002 компании AWR объединяет в себе модули анализа линейных и нелинейных схем, проектирования топологий, электромагнитного моделирования планарных многослойных структур 2.5-мерное моделирование, моделирования систем связи на уровне структурных схем. Нелинейный анализ здесь выполняется методом гармонического баланса и рядов Вольтерра, что позволяет получить точность и скорость выше, чем у ближайших конкурентов - продуктов ADS компании Agilent Technologies http://www.agilent.com/ и Ansoft Designer компании Ansoft http://www.ansoft.com/. Электромагнитное моделирование планарных СВЧ-устройств выполняется методом моментов Галеркина. Модуль моделирования структурных схем, изначально разработанный компанией ICUCOM http://www.icucom.com/, прекрасно интегрирован в среду и имеет самый большой набор библиотек моделей. Редактор топологий представляет собой не просто графическую среду прорисовки топологий СВЧ-устройств, но и мощный инструмент технологической подготовки к производству.

Microwave Office 2003 - наиболее интегрированный пакет из всех перечисленных. В этой версии реализовано несколько принципиальных нововведений, нацеленных на повышение эффективности проектирования высокочастотных (RF) устройств и СВЧ монолитных микросхем (MMIC). Например, быстродействие системы моделирования увеличилось в среднем в 500 раз, что дало возможность настраивать сложные нелинейные схемы в режиме реального времени так же, как раньше обрабатывались только линейные схемы. Новая реализация алгоритмов гармонического баланса позволила обеспечить быструю сходимость при моделировании больших схем с сильно выраженной нелинейностью.