程控濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、程控濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目 錄1.方案論證1.1方案比較與選擇增益放大模塊31.2方案比較與選擇濾波模塊41.3方案比較與選擇時(shí)鐘發(fā)生模塊 dds42.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)52.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)52.2單元電路的設(shè)計(jì)62.3發(fā)揮部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)63.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)73.1程序總體設(shè)計(jì)73.2各功能模塊程序設(shè)計(jì)74.系統(tǒng)的組裝與調(diào)試84.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖及工藝說(shuō)明84.2面板圖及可調(diào)部件說(shuō)明84.3系統(tǒng)的測(cè)試84.4測(cè)試結(jié)果及其分析95.結(jié)論9摘要：我們?cè)O(shè)計(jì)的程控濾波器是以c8051f005高速soc單片機(jī)和at89s52為核心，以穩(wěn)定、準(zhǔn)確為原則。本設(shè)計(jì)總共由五個(gè)模塊組成，分別是：直流穩(wěn)壓電源，增益放大電路

2、，濾波電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)以及時(shí)鐘電路。美信公司max264芯片和max295芯片內(nèi)部集成了設(shè)計(jì)濾波器所需的電阻電容，在應(yīng)用中幾乎不用外接器件，使用非常簡(jiǎn)單，其中心頻率、q值及工作模式都可以通過(guò)對(duì)引腳可編程控制。它可以工作于帶通、低通、高通、帶陷或是全通模式，時(shí)鐘輸入(外接時(shí)鐘信號(hào)或晶振)可以精確地設(shè)置中心頻率及q值。同時(shí)采用了12位d/a轉(zhuǎn)換器max532構(gòu)成了12位可編程增益放大器，時(shí)鐘發(fā)生電路的設(shè)計(jì)我們應(yīng)用了高性能dds芯片ad9851。關(guān)鍵詞：濾波器 高速soc單片機(jī) 可編程控制 可編程增益放大 dds芯片 1.方案論證1.1各種方案比較與選擇方案一：運(yùn)放+模擬開關(guān)+電阻網(wǎng)絡(luò)這種方法利

3、用模擬開關(guān)切換電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，從而改變放大電路的閉環(huán)增益。此種方法所需元器件較多，電路龐大，而且精度受到限制。方案二：運(yùn)放+數(shù)字電位器種方案采用固態(tài)數(shù)字電位器來(lái)控制放大電路的增益，線路較為簡(jiǎn)單。但現(xiàn)有的數(shù)字電位器分辨率有限，常見的有32、64抽頭，少數(shù)可達(dá)1024抽頭，因而構(gòu)成的放大器精度有限，無(wú)法滿足10位甚至12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。方案三：采用d/a轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度可編程增益放大器。maxim公司的12位d/a轉(zhuǎn)換器max532構(gòu)成的12位可編程增益放大器，只需單片d/a轉(zhuǎn)換器即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的高精度pga（增益可軟件編程的放大器），甚至可以不需要任何外圍元件。并且它還具有十分方便的編程

4、接口，可以直接掛到數(shù)據(jù)總線上。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案三簡(jiǎn)潔、靈活、調(diào)節(jié)方便、可擴(kuò)展性好，能達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求，因此采用方案三來(lái)實(shí)現(xiàn)。方案三的工作原理：max532 d/a轉(zhuǎn)換器利用r-2r梯形解碼網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的變換。常規(guī)用法中，加到解碼網(wǎng)絡(luò)參考端的電壓vref和從該網(wǎng)絡(luò)的參考輸出的電流iout 的關(guān)系為： = （d為數(shù)字輸入量），因此r-2r網(wǎng)絡(luò)的參考端到輸出端可等效為一個(gè)阻值可編程的等效電阻ro= r ,將ro 作為反饋電阻，則得到放大器的閉環(huán)增益為a= 因此輸入不同的數(shù)字量d，就可以在1-4096間設(shè)定放大器的電壓增益。max532芯片管腳圖 max532典型應(yīng)用1.2方

5、案比較與選擇濾波模塊方案一：采用傳統(tǒng)的分立元件組成的無(wú)源濾波器無(wú)源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但其濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對(duì)某些次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用，甚至出現(xiàn)諧振現(xiàn)象.方案二：用晶體管或運(yùn)放構(gòu)成的有源濾波器有源濾波器不用電感元件、有一定增益、重量輕、體積小并且調(diào)試方便，可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等方面。但這類濾波器的缺點(diǎn)是易受運(yùn)算放大器的頻帶限制，頻帶范圍窄且固定不變，帶內(nèi)不夠平坦，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此這類濾波器主要用于低頻，達(dá)不到本題目所要求的技術(shù)指標(biāo)。方案三：采用引腳可編程max264芯片，該芯片內(nèi)部集成了設(shè)計(jì)濾波器所需的電阻電容，在應(yīng)

6、用中幾乎不用外接器件，使用非常簡(jiǎn)單，并且可以工作于帶通、低通、高通、帶陷或是全通模式。因此我們決定應(yīng)用方案三來(lái)設(shè)計(jì)濾波模塊。1.3方案比較與選擇時(shí)鐘發(fā)生模塊 ddsdds技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過(guò)dac轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)合成技術(shù)。它的基本工作原理是在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下，通過(guò)由頻率碼控制的相位累加器輸出相位碼，將存儲(chǔ)于只讀存儲(chǔ)器中的波形量化采樣數(shù)據(jù)值按一定的規(guī)律讀出，經(jīng) da轉(zhuǎn)換和低通濾波后輸出正弦信號(hào)。其主要組成為：相位累加器、相位相加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)字相乘器和da 轉(zhuǎn)換器。如圖1所示，它的輸出頻率可以由下面公式推：f=k* fclk /2其中：f為輸出頻率，k為頻率控制字

7、，fclk為時(shí)鐘頻率，n為相位累加器的位數(shù)。目前使用最廣泛的一種dds方式是利用高速存儲(chǔ)器作查找表，然后通過(guò)高速dac產(chǎn)生用數(shù)字形式存入的正弦波。頻率控制字相位累加器波形存儲(chǔ)器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器低通濾波器 圖1 dds原理框圖方案一：自行設(shè)計(jì)的基于fpga芯片的方案可編程邏輯器件以其速度高,規(guī)模在,可編程,以及有強(qiáng)大eda軟件支持等特性,十分適合實(shí)現(xiàn)dds技術(shù)。就生成信號(hào)質(zhì)量而言,利用fpga也能輸出較高質(zhì)量的信號(hào)。但卻由于其價(jià)格昂貴,并且有許多專用dds芯片， 因此采用fpgax芯片不一定是我們首選的。方案二：采用高性能dds單片電路ad9851的方案ad9851 是ad 公司采用先進(jìn)技術(shù),推出的

8、具有高集成度dds 電路的器件，它內(nèi)部包含高速、高性能d/ a 轉(zhuǎn)換器及高速比較器，可作為全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。外接精密時(shí)鐘源時(shí)，ad9851 可以產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可以編程控制且穩(wěn)定性很好的模擬正弦波。這個(gè)正弦波能夠直接作為基準(zhǔn)信號(hào)源及頻率信號(hào)源或通過(guò)其內(nèi)部高速比較器轉(zhuǎn)換成方波輸出并作為靈敏時(shí)鐘產(chǎn)生器。ad9851接口控制簡(jiǎn)單，可以用8位并行口或串行口經(jīng)相位等控制數(shù)據(jù)，32位頻率控制字。因此具有較高的性價(jià)比。綜合比較以上二種方案，我們決定采用方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。高速比較器合成信號(hào)時(shí)鐘始終控制數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)低通濾波器d/a轉(zhuǎn)換器相位寄存器波形存儲(chǔ)器相位全加器 控制字寄存

9、器6倍參考 時(shí)鐘倍乘器 ad9851的引腳排列圖 ad9851結(jié)構(gòu)框圖 2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)51單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤 模塊供電整流 濾波 穩(wěn)壓 12v/15v 供電變壓器220v交流電信號(hào)輸入max532d/a 放大模 擬開 關(guān)低通濾波器高通濾波器模 擬開 關(guān)信號(hào)輸出液晶顯示c8051f005單片機(jī)磁珠磁珠磁珠磁珠ad9851測(cè)試點(diǎn) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.2單元電路的設(shè)計(jì) （見附錄）Ø c8051f005單片機(jī)最小系統(tǒng)Ø 51單片機(jī)最小系統(tǒng)Ø 鍵盤模塊Ø 直流穩(wěn)壓電源Ø 增益放大電路Ø 濾波電路Ø 時(shí)鐘電路2.3發(fā)揮

10、部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)我們的作品在較好地完成了基本要求的前提下，還能夠達(dá)到發(fā)揮部分第一題所要求的技術(shù)指標(biāo)，即滿足了放大器電壓增益為60db，輸入信號(hào)電壓振幅為10mv；增益10db步進(jìn)可調(diào)，電壓增益誤差不大于5%。3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1程序總體設(shè)計(jì)c8051foo5 at89s52開始開始 初始化d/a系統(tǒng)初始化等待鍵盤輸入 lcd界面等待at89s52單片機(jī)輸入?yún)?shù)設(shè)置信息鍵入d/a增益 其他 寫入d/a控制字子 按鍵信息lcd顯示dds時(shí)鐘發(fā)生器模擬開關(guān)低通濾波器max295高通濾波器max2643.2各功能模塊程序設(shè)計(jì)初始化模擬開關(guān)初始化程序系統(tǒng)初始化增益為0db 等待鍵盤鍵盤等待鍵盤等待輸入

11、對(duì)應(yīng)電阻網(wǎng)絡(luò)高通濾波器max264模擬開關(guān)低通濾波器max295改變頻率 增益放大模塊 時(shí)鐘電路模塊 濾波模塊4.系統(tǒng)的組裝與調(diào)試4.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖及工藝說(shuō)明作為完整的電子儀器除了需要好的電路和軟件設(shè)計(jì)外，還需要良好的裝配工藝和美觀的外殼,即有好的人機(jī)界面。這些問(wèn)題我們也做了相應(yīng)的考慮。4.2面板圖及可調(diào)部件說(shuō)明單片機(jī)控制裝置電源 主板 主機(jī)箱內(nèi)布置圖4x4 鍵盤輸入液晶顯示輸出 面板布局4.3系統(tǒng)的測(cè)試（1）分級(jí)調(diào)試：?jiǎn)纹白钚∠到y(tǒng)的調(diào)試、直流穩(wěn)壓電源調(diào)試、增益放大電路的調(diào)試、濾波電路的調(diào)試（2) 級(jí)聯(lián)調(diào)試將整個(gè)系統(tǒng)的分立模塊聯(lián)接在一起，進(jìn)行級(jí)聯(lián)調(diào)試。通過(guò)改變參數(shù)，觀察結(jié)果，逐步改進(jìn)系統(tǒng)的功

12、能和穩(wěn)定性，直到整個(gè)系統(tǒng)工作達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。增益（db） 輸入(mv) 輸出（mv） 010 10.47121010 32.95872010103.45473010331.03944010 1030.25785010 3318.39266010 10200.5487經(jīng)計(jì)算，以上輸出值誤差均在5%以內(nèi)，達(dá)到了題目中的要求。4.4測(cè)試結(jié)果及其分析經(jīng)過(guò)多次測(cè)試試驗(yàn)和對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，本組所設(shè)計(jì)制作的程控濾波器能夠較好的完成題目中所給任務(wù)和要求。系統(tǒng)功能由菜單實(shí)現(xiàn)，并且有液晶顯示，人機(jī)界面友好。5.結(jié)論本系統(tǒng)是以c8051f005高速soc單片機(jī)和at89s52單片機(jī)為核心部件，利用了美信公司max264和max295及max532完成了作品中的放大器和濾波器的設(shè)計(jì)制作，并采用了高性能dds芯片ad9851來(lái)制作時(shí)鐘發(fā)生模塊同時(shí)編寫了一套軟件算法實(shí)現(xiàn)了放大器增益可設(shè)置，低通或高通濾波器通帶、截止頻率等參數(shù)可設(shè)置以及具有參數(shù)顯示功能的程控濾波器。最終該作品完成競(jìng)賽題目中的要求的各項(xiàng)任務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿足要求的情況下，力求硬件線路簡(jiǎn)單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)。在本次競(jìng)賽中，我們?nèi)她R心協(xié)力，經(jīng)常在一起討論遇到的問(wèn)題，選擇最終的解決方案，從而使我們能優(yōu)秀的完成作品。通過(guò)這次競(jìng)賽，我們的實(shí)際動(dòng)手操作能力提高了很多，同時(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題