課程設計：程控濾波器

1、2007年D題 程控濾波器本系統(tǒng)以凌陽16位單片機為控制核心，利用開關電容技術實現(xiàn)程控濾波的功能。前端放大器由運放和數(shù)字電位器構成，實現(xiàn)了增益060dB，步進10dB可調。 程控濾波器摘要：本系統(tǒng)以凌陽16位單片機為控制核心，利用開關電容技術實現(xiàn)程控濾波的功能。前端放大器由運放和數(shù)字電位器構成，實現(xiàn)了增益060dB，步進10dB可調。濾波器采用模擬開關和電容的組合替代電阻的技術，構成RC有源濾波網絡，實現(xiàn)了程控高通、低通濾波截止頻率1KHz20KHz，步進1KHz可調。設計實現(xiàn)了四階低通橢圓濾波器。利用單片機和直接數(shù)字調制技術（Direct Digital synthesizer）芯片AD98

2、50，設計并制作了簡易幅頻特性測試儀，掃頻輸出信號范圍從100Hz到200KHz，步進10 KHz可調。人機接口采用44鍵盤及LCD液晶顯示器，控制界面直觀、簡潔，具有良好的人機交互性能。關鍵詞：程控濾波 凌陽16位單片機 數(shù)字電位器 開關電容1. 方案論證 經過仔細研究分析，我們認為系統(tǒng)的結構框圖1.1如下所示： 根據(jù)題目要求，我們分以下三部分進行方案設計與論證11主控單元方案一：采用80C51系列單片機，但其與外圍設備的接口電路較為復雜。方案二：采用凌陽SPCE061A單片機。它中斷資源豐富，而且內置了在線仿真、編程接口，可方便地實現(xiàn)在線調試。經過比較后采用方案二。12 放大器部分程控放大

3、器的增益，一般有兩種途徑，一種是改變反相端的輸入電阻，另一種是改變負反饋電阻阻值。方案一：采用模擬開關或繼電器作為開關，構成梯形電阻網絡，單片機控制繼電器或模擬開關的通斷，從而改變放大器的增益。此方案的優(yōu)點在于簡單，缺點是電阻網絡的匹配難以實現(xiàn)，調試很困難。方案二：用DAC的電阻網絡，改變電阻的方法，電流輸出型DAC內含R-2R電阻網絡，可以作為運放的反饋電阻或輸入電阻，在DAC輸入數(shù)據(jù)的控制下，實現(xiàn)放大器增益的程控改變。該方案的優(yōu)點無需外接精密電阻，增益完全由輸入的數(shù)字量決定，就可以對信號進行放大或衰減，使用方便；缺點是信噪比較低，通頻帶較窄。方案三：非易失性數(shù)字電位器改變電阻，克服了模擬電

4、位器的主要缺點，無噪聲，壽命長，阻值可程控改變，設定阻值掉電記憶。該方案優(yōu)點是增益范圍寬，占用P口少，成本低。通頻帶取決于運放的通頻帶。在本題中，電壓增益為40dB，增益10dB步進可調，通頻帶為100Hz40kHz，放大器輸出電壓無明顯失真。由于輸入信號幅值很小，所以我們選用高精度的測量放大器AD620。我們采用方案三，非易失性數(shù)字電位器與測量放大器的組合，實現(xiàn)程控放大器。電壓增益為60dB，增益10dB步進可調，通頻帶為100Hz40kHz，放大器輸出電壓無明顯失真。12 濾波器部分根據(jù)題目要求低通濾波器在2fc處，高通濾波器在0.5fc處，放大器與濾波器的總電壓增益不大于30dB，我們選

5、用二階電壓控制濾波器。 圖1.2二階電壓控制濾波器改變截止頻率有以下方案方案一：采用模擬開關或繼電器作為開關，切換不同的RC組合來改變截止頻率，優(yōu)點是電路簡單，缺點是電阻網絡的匹配難以實現(xiàn)，調試很困難適合截止頻率調節(jié)檔位較少的濾波器。方案二：固定電容C，采用非易失性數(shù)字電位器改變電阻的數(shù)值，從而改變截止頻率。優(yōu)點是電路簡單， 缺點數(shù)字電位器是分檔調節(jié)，不能實現(xiàn)電阻的連續(xù)可調，很難實現(xiàn)截止頻率的精確調節(jié)。方案三：利用開關電容技術，利用開關和電容的組合來替代電阻，電容值保持不變，我們只要控制開關的頻率，就可以等效的改變電阻，完成對濾波器截止頻率的設置。對于具體分析方法在后面有詳細敘述。我們選擇方案

6、三，當前較先進的技術，并且已經有了成熟的產品，例如max260可編程濾波器 1.2方案論證（1）放大器方案論證放大器輸入正弦信號電壓振幅為10mV，對于毫伏級的信號放大一般要采用具有高共模抑制比、高精度、高輸入阻抗的測量放大器。放大器電路采用AD620和數(shù)字電位器組成。數(shù)字電位器使用的是X9241MAPI，它把0-2K,0-10K,0-10K,0-50K四個可調電阻集成在一個單片的CMOS微電路中的數(shù)控電位器，步進分別為34，170，170，850，經過組合步進更小，所以放大倍數(shù)也被控制在一個很精確的范圍。（2）濾波器方案論證我們采用的是RC結構的二階濾波電路。低通濾波時：根據(jù)二階的低通濾波函

7、數(shù)，在大于截止頻率fc 時，幅頻特性曲線以40/10f速度下降，所以在2 fc 處的增益為-12.04dB。再加上放大器的40dB增益，總增益為27.96dB，達到了題目小于30 dB的要求。高通濾波時：根據(jù)二階的高通濾波函數(shù)，在小于截止頻率fc 時，幅頻特性曲線以40/10f速度上升，所以在0.5 fc 處的增益為-12.04dB。再加上放大器的40 dB增益，總增益為27.96dB，也達到了題目小于30 dB的要求。在電阻的選取上，我們采取了開關電容取代電阻的方案?；鹃_關電容單元的原理圖，如下： 開關S1，S2采用通段受方波信號控制的模擬開關，當為高電平時開關S1閉合，當為低電平時S1開

8、通。S2的開通關斷情況與S1相反。在時鐘周期Tc內，從1端向2端傳輸?shù)碾姾闪繛椋?。而電流為： 可見基本開關電容單元可以等效為一個電阻 。而且方波信號的頻率與信號頻率的比值越大，這種近似性越好。2.系統(tǒng)硬件設計2.1系統(tǒng)的總體設計 圖2.1程控濾波器結構框圖本系統(tǒng)以凌陽61單片機作為主控單元，將設計任務分為放大器，低通濾波器，高通濾波器，橢圓濾波器，人機接口單元等功能模塊。放大器用AD620和數(shù)字電位器組成的放大電路兩級串聯(lián)構成。單片機通過控制數(shù)字電位器的阻值大小來控制放大器放大倍數(shù)。濾波器在單片機控制信號作用下在低通，高通，橢圓三種工作方式的切換。低通和高通濾波電路采用模擬開關，電容和運算放

9、大器組成，單片機通過控制模擬開關的通斷頻率，來實現(xiàn)截止頻率的調節(jié)。本系統(tǒng)還設計了良好的人際交互接口，實現(xiàn)了鍵盤處理，液晶顯示，語音報數(shù)等功能。2. 2單元電路的設計2.2. 1放大器電路設計由于運算放大器在高頻時，其帶寬下降，放大倍數(shù)減小，因此我們采用兩級放大，具體電路圖如圖2.2：2.2.2 濾波器電路設計現(xiàn)以低通濾波電路設計為例說明。對于二階低通濾波電路， 圖2.3傳遞函數(shù)為： 其中 , ,為了在截止頻率附近有較平坦的幅頻特性曲線，令Q=0.707,可求出 ,又因為 ,因此 。由對偶原理可知，二階高通電路中 。用開關電容原理等效后的電路圖為：圖2.4由前面分析可知 又由開關電容原理 ，所以

10、 因此，在 與 的比值固定時，開關頻 與截止頻率 成正比，因此可用開關頻率 控制截止頻率 的大小。根據(jù)題目要求，截止頻率 的步進為 因為， 所以， 當截止頻率 時，開關頻率 ；當截止頻率 時，開關頻率 ；同理，二階高通濾波器電路進行開關電容等效后，開關頻率 可以控制截止頻率 的大小。開關頻率的大小所對應的截止頻率與低通時一樣，方便了系統(tǒng)設計和程序的編寫。2.3發(fā)揮部分的設計與實現(xiàn)（1）實現(xiàn)了放大器電壓增益為60dB，輸入信號電壓振幅為10mV；增益10dB步進可調，電壓增益誤差不大于2%。（2）制作了一個四階橢圓型低通濾波器，帶內起伏1dB，-3dB通帶為50kHz，要求放大器與低通濾波器在2

11、00kHz處的總電壓增益小于5dB，-3dB通帶誤差不大于5%。四階橢圓型低通濾波器由橢圓函數(shù)壓控電壓源（VCVS）低通濾波節(jié)實現(xiàn)，借助MATLAB設計低通橢圓濾波器。1橢圓函數(shù)VCVS濾波節(jié)2根據(jù)設計要求，帶內起伏 1 ,-3 通帶為50 ，利用MATLAB函數(shù) ,求出濾波器通帶帶寬。調用MATLAB ellip函數(shù)求出傳遞函數(shù)的零極點值（見附錄）。 B,Aellip(N, , , ,S);%B為 分子多項式系數(shù)，A為 分母多項式系數(shù) z=roots(B); 求解 零點 p=roots(A) %求解 極點每個低通濾波節(jié)包含一對共軛復數(shù)極點和一對虛數(shù)零點（復數(shù)極點實部為x，虛部為 ，零點在 處

12、）。四階橢圓低通濾波器由兩個濾波節(jié)級聯(lián)構成，零極點按就近原則分配到兩個濾波節(jié)利用MATLAB編寫程序，按照下列公式計算各節(jié)阻容參數(shù)。定義系數(shù)： ， ， （ ， ， 取正值）選用常用標稱電容值C，令 ，有：, , , , , 附：各濾波節(jié)阻容值A: 計算值 計算值 218 0.01 218 0.018uF 109 5000pF 5039 5000pF 無限制 5100 20910B: 計算值 C 計算值 2813.5 330p 2813.5 9.173nF 1406.8 0.165nF 56827 0.165nF 無限制 5100 247093（3）制作了一個簡易幅頻特性測試儀，其掃頻輸出信號的

13、頻率變化范圍是100Hz200kHz，頻率步進10kHz。 幅頻特性測試儀結構框圖 簡易幅頻特性測試儀是以Spce61單片機位控制核心，由正弦波發(fā)生器，數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等功能模塊組成。其中，掃頻信號采用DDS技術實現(xiàn)。系統(tǒng)輸出電壓峰值保持不變得正弦波掃頻信號，由單片機改變掃頻信號的頻率從100Hz到200kHz，以10kHz步進，從然后測出對應的輸出信號峰值。經峰值檢測將交流信號峰值轉化為直流信號。被單片機經A/D轉化后讀取。單片機將輸入信號頻率大小和輸出峰值存儲在RAM中。從最小頻率掃描到最大頻率后，根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算出幅頻特性曲線顯示在液晶屏上。掃頻信號由DDS芯片AD9850產生。幅頻

14、特性測試儀的頻率穩(wěn)定度取決于外接晶振的穩(wěn)定度。選取50MHz的晶振，可以實現(xiàn)0.01Hz-12.5MHz連續(xù)掃頻，而題目要求的是100Hz -200 KHz，所以它足以滿足要求。DDS技術是開環(huán)控制，頻率調節(jié)速度僅受限于邏輯門的延遲，速度高于PLL頻率合成技術幾個數(shù)量級。所以DDS合成速度快，頻率分辨率高，并且線路簡單。由于采樣點只有21個，對AD轉化的速度要求不高。我們選用TLC2543，它是12位分辨率A/D轉化器，在溫度范圍內10s轉換時間，線性誤差1LSB Max，足以滿足要求。3系統(tǒng)的測試由于篇幅所限在此僅列出幾個關鍵點的測試結果測試條件：Uipp=10mv,測試儀器：信號源采用F4

15、0,示波器放大器性能測試Uo（40DB）Uo（50DB）Uo（60 DB）輸入信號頻率理論值實測值誤差理論值實測值誤差理論值實測值誤差100Hz1V0.99V0.01V3.16V3.12V0.04V10V9.890.11V1 KHz1V1.00V0.00V3.16V3.14V0.02V10V9.900.10V20KHz1V0.99V0.01V3.16V3.12V0.04V10V9.880.12V40KHz1V0.99V0.01V3.16V3.11V0.05V10V9.850.15V45KHz1V0.97V0.03V3.16V3.10V0.06V10V9.840.16V經過對測試數(shù)據(jù)分析得出結論

16、：放大器部分電壓增益60dB，增益10DB步進可調，通頻帶超過了40KHz，電壓增益誤差在2%以內，放大器部分不僅完成了題目的基本要求，并且完成了發(fā)揮部分的要求。低通濾波器性能測試測試條件：Uipp=10mv,測試儀器：信號源采用F40,示波器 放大器增益40DB設定截止頻率fc濾波器輸出電壓0.707Aup 時實測截止頻率誤差 輸入信號頻率f=1kHz輸入信號頻率f=0.5 fc輸入信號頻率f= fc 1kHz輸入信號頻率f= fc 輸入信號頻率f=2 fc10 KHz 0.99v1.00v0.710v0.708v0.200v10.5KHz5%20KHz0.98v0.99v0.713v0.7

17、10v0.205v21.2KHz6%經過對測試數(shù)據(jù)分析得出結論：低通濾波器截止頻率1kHz步進可調，通帶性能良好，截止頻率誤差為 6% ，完成了題目的要求。高通濾波器性能測試測試條件：Uipp=10mv,測試儀器：信號源采用F40,示波器 放大器增益40DB設定截止頻率fc濾波器輸出電壓0.707Aup 時實測截止頻率誤差 輸入信號頻率f=1kHz輸入信號頻率f=0.5 fc輸入信號頻率f= fc 1kHz輸入信號頻率f= fc 輸入信號頻率f=2 fc10 KHz 0.02v0.23v0.698v0.712v0.989v10.4KHz4%20KHz0.03v0.24v0.699v0.713v0.985v21KHz5%經過對測試數(shù)據(jù)分析得出結論：高通濾波器截止頻率1kHz步進可調，通帶性能良好，截止頻率誤差為 % ，完成了題目的要求。橢圓低通濾波器性