【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題 目 基于MAX262的程控濾波器設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 李偉 專業(yè)班級(jí) 電子信息工程081班 所在院系　　 　　　電氣信息學(xué)院 指導(dǎo)教師 宗靜靜 職稱　 講師 所在單位 大連交通大學(xué) 教研室主任 賈世杰 　 完成日期 2012 年 6 月 16日摘 要本設(shè)計(jì)由電源模塊、MCU控制器模塊、顯示模塊、鍵盤控制模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、程控濾波器模塊組成。使用STC12C5A60S2作為MCU，發(fā)送頻率控制狀態(tài)字(FTW)使AD9850(DDS)芯片產(chǎn)生的頻率可調(diào)的正弦波，將產(chǎn)生正弦波的經(jīng)由高速比較器模塊的整形后充當(dāng)步進(jìn)時(shí)鐘提供給程控濾波器模塊，MCU并輔以發(fā)送的程序狀態(tài)字于程控濾波器模塊達(dá)到控制濾波器工作模式及相應(yīng)濾波性能指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期濾波效果。本課題正是針對(duì)目前傳統(tǒng)濾波器相應(yīng)濾波性能指標(biāo)相對(duì)固定、精度相對(duì)低等不足提出的，輔以開關(guān)電容濾波器的設(shè)計(jì)理念，兼顧數(shù)字化的控制過(guò)程，能夠減少使用過(guò)程中的不確定因素和人為參與硬件設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)數(shù)目，有效地解決相應(yīng)模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問(wèn)題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性，具有一定可借鑒價(jià)值。關(guān)鍵詞：MCU DDS 低通濾波 程控濾波器ABSTRACTThis design consists of the power module, the display module, the keyboard control module, the clock producing module and the programmable filter module. Using STC12C5A60S2 as MCU that sends a frequency tuning word (FTW) to AD9850 (DDS) chip which can produce a frequencyadjustable sine wave. After highspeed paring, the wave was provided to the programmable filter modules as a marching clock. Then MCU sends PSW to the programmable filter modules to control the functional mode and performance index of the filter, so that this design can achieve the expected effects of filtering.This design is aimed at changing the shorting of traditional filters that the performance index is relatively fixed and the precision is relatively low. With the idea of Switched Capacitor Filter design and the digital control processing, this project can reduce uncertain factors such as factitious hardware designing procedures. This design can effectively solve engineering problems such as reliability, intelligentizing and product consistency, and greatly improve the production efficiency and product maintainability. It may have certain value in applications.Key words： MCU DDS Lowpass Filtering Programmable Filter 目 錄第一章 緒 論 1 1 1 2第二章 濾波原理概述 濾波器的概念 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 6 6 7 7第三章 程控濾波器總設(shè)計(jì)方案論證 10 10 10 11 12 12 13 13 13第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 14 14 14 15 15 15 16 17 17 17 18 18 18 18 19 20 20第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 22 22 22第六章 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 23 23 25 27 28結(jié) 論 29謝 辭 30參考文獻(xiàn) 31附 錄 32大連交通大學(xué)2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第一章 緒 論電子濾波器是一種可執(zhí)行信號(hào)處理功能的電子線路元件或裝置，它具有去除信號(hào)中不想要的成分或者增強(qiáng)所需成分的功能。電子行業(yè)的許多應(yīng)用場(chǎng)合都要用到電子濾波器，并且對(duì)濾波器的要求也越來(lái)越高。比如測(cè)量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號(hào)中，往往包含有噪聲及許多與被測(cè)量無(wú)關(guān)的信號(hào)，并且原始的測(cè)量信號(hào)經(jīng)傳輸、放大、變換、運(yùn)算及各種其他的處理過(guò)程，也會(huì)混入各種不同形式的噪聲，從而影響測(cè)量精度。這些噪聲一般隨機(jī)性強(qiáng)，很難從時(shí)域中直接分離，但限于其產(chǎn)生的機(jī)理，其噪聲功率是有限的，并按一定的規(guī)律分布于頻域某一特定的頻帶中。因此，信號(hào)分離電路一般采用電子濾波器實(shí)現(xiàn)噪聲的抑制，提取所需的測(cè)量信號(hào)。但是一般系統(tǒng)中采用的濾波器的形式和截止頻率往往是固定的，很難做到可調(diào)，這就給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的不便。其次，傳統(tǒng)濾波器在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。由于低精度的濾波器在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果，世界各國(guó)紛紛對(duì)濾波器提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得好的市場(chǎng)。傳統(tǒng)濾波器功能單一，調(diào)節(jié)精度不高，用戶使用人機(jī)界面不友好，而且性能指標(biāo)經(jīng)常跳變，使用麻煩。目前，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，已有高階專用的開關(guān)電容濾波器芯片，但其價(jià)格高，電路噪聲也不盡如人意，此外其還存在信號(hào)混疊問(wèn)題，設(shè)計(jì)使用時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)者能力要求較高。本課題程控濾波器系統(tǒng)是針對(duì)目前傳統(tǒng)濾波器的不足提出的，輔以開關(guān)電容濾波器的設(shè)計(jì)理念，兼顧數(shù)字化的控制過(guò)程能夠減少使用過(guò)程中的不確定因素和人為硬件設(shè)計(jì)參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決相應(yīng)模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問(wèn)題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。開關(guān)電容濾波器是由受時(shí)鐘信號(hào)控制的開關(guān)和電容器組成的濾波電路。它是利用電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的各種處理功能。因此，開關(guān)電容濾波器的使用可以很好地解決濾波器的形式和截止頻率固定的問(wèn)題，即可由所需濾波函數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)帶通、低通、高通、陷波和全通配置的濾波器。目前，國(guó)外已批量生產(chǎn)了各種單片集成開關(guān)電容濾波器并可實(shí)現(xiàn)程控濾波的效果。單片集成開關(guān)電容濾波器不需要添加外部元件即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)濾波效果，并且可在微處理器的系統(tǒng)程序內(nèi)設(shè)置濾波器中心頻率、品質(zhì)因數(shù)和濾波器所處工作方式的相應(yīng)控制狀態(tài)字以達(dá)到相應(yīng)程控目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同類型的濾波器。并且其濾波功能及實(shí)時(shí)性好、響應(yīng)速度快，因此為廣大用戶所喜歡。本課題源自于索尼杯2007全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 D題，要求設(shè)計(jì)基于MAX262的程控濾波器，其中微處理器選用8051架構(gòu)處理器，步進(jìn)時(shí)鐘通過(guò)DDS芯片間接產(chǎn)生，輔以相應(yīng)良好的人機(jī)交互界面(UI界面)構(gòu)成硬件系統(tǒng)。通過(guò)本次程控濾波器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)濾波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。論文各章的內(nèi)容安排如下:第一章是緒論部分，介紹論文選題的背景，論文的主要研究對(duì)象和結(jié)構(gòu)安排。第二章介紹濾波器原理，并著重介紹開關(guān)電容型濾波原理。第三章介紹介紹程控濾波器總設(shè)計(jì)方案論證，其中包括各個(gè)模塊設(shè)計(jì)方案綜述。第四章介紹本課題系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第五章介紹本課題系統(tǒng)軟件各模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第六章介紹本課題測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果。第二章 濾波原理概述 濾波、濾波器的概念濾波就是將多種頻率的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理得到想要的特定頻率的信號(hào)，即將有用的信號(hào)中的雜波信號(hào)濾除，或者是將多種信號(hào)中的特定頻帶保留。濾波器就是利用一些特殊元器件的特性，將有用信號(hào)取出，所以濾波就出現(xiàn)早期的RC濾波、LC濾波及混合濾波的概念。 濾波器的分類自從濾波器登上了歷史舞臺(tái)，濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)思路也經(jīng)歷多次演變，進(jìn)而產(chǎn)生不同設(shè)計(jì)分類。根據(jù)濾波器的特性和應(yīng)用場(chǎng)合及結(jié)構(gòu)形式等可以有如下的不同分類方法：(1) 從設(shè)計(jì)功能上分為：低通、高通、帶阻、帶通、全通。(2) 從設(shè)計(jì)方法上來(lái)分為：切比雪夫?yàn)V波器、巴特沃茲濾波器、貝塞爾濾波器等。(3) 從處理信號(hào)上來(lái)分為：經(jīng)典濾波器、現(xiàn)代濾波器。(4) 從處理信號(hào)形式上分為：數(shù)字濾波器，模擬濾波器。其中數(shù)字濾波器、模擬濾波器又可細(xì)分為：(1) 從數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方法上又分為：FIR、IIR。(2) 從模擬濾波器實(shí)現(xiàn)方法上又分為：有源濾波器，無(wú)源濾波器。 濾波器的原理巴特沃茲濾波器具有盡可能平坦的通帶幅度響應(yīng)。截止頻率的衰減設(shè)計(jì)為3dB。高于截止頻率的頻帶衰減具有適中的斜率——20dB滾降每十倍頻程每極點(diǎn)。巴特沃茲濾波器的脈沖響應(yīng)具有適當(dāng)?shù)倪^(guò)沖及振鈴。切比雪夫?yàn)V波器與巴特沃茲濾波器相比，此類型的濾波器在通帶以外的衰減更為陡峭——該優(yōu)點(diǎn)是以犧牲通帶內(nèi)的幅度變化量為代價(jià)的。與巴特沃茲及貝賽爾響應(yīng)不同，切比雪夫?yàn)V波器的截止頻率定義為響應(yīng)滾降至低于紋波帶的頻點(diǎn)。對(duì)于偶數(shù)階濾波器而言，所有紋波均高于0 dB增益的直流響應(yīng)，因此截止頻點(diǎn)位于0 dB 衰減處。對(duì)于奇數(shù)階濾波器來(lái)說(shuō)，所有的紋波均低于0 dB增益的直流響應(yīng)，截止頻率則定義為低于紋波帶最大衰減點(diǎn)。在極點(diǎn)數(shù)量一定時(shí)，增加通帶紋波可實(shí)現(xiàn)更陡峭截止。相對(duì)于巴特沃茲濾波器而言，切比雪夫?yàn)V波器的脈沖響應(yīng)具有更大的振鈴。貝賽爾濾波器也稱為湯姆遜型濾波器。由于其線性相位響應(yīng)特性，使得此類濾波器具有最優(yōu)的脈沖響應(yīng)性能。對(duì)于給定的極點(diǎn)數(shù)量而言，貝賽爾的幅頻響應(yīng)并不如巴特沃茲平坦，3dB 截止頻率以外頻帶的衰減也不如巴特沃茲陡峭。盡管須采用更高階的貝賽爾濾波器來(lái)逼近給定的巴特沃茲濾波器的幅頻響應(yīng)，但考慮到貝賽爾濾波器的脈沖響應(yīng)保真度，增加一定的設(shè)計(jì)復(fù)雜性也是物有所值的。優(yōu)點(diǎn)：巴特沃茲濾波器提供了最大的通帶幅度晌應(yīng)平坦度，具有良好的綜合性能。其脈沖響應(yīng)優(yōu)于切比雪夫，衰減速度優(yōu)于貝賽爾。缺點(diǎn)：階躍響應(yīng)存在一定的過(guò)沖及振蕩。優(yōu)點(diǎn)：與巴特沃茲相比，切比雪夫?yàn)V波器具有了更良好的通帶外衰減。缺點(diǎn)：通帶內(nèi)紋波令人不滿，階躍晌應(yīng)的振鈴較嚴(yán)重。 優(yōu)點(diǎn)：貝賽爾濾波器具有最優(yōu)的階躍響應(yīng)——非常小的過(guò)沖及振鈴。缺點(diǎn)：與巴特沃茲相比，貝賽爾濾波器的通帶外衰減較為緩慢。 濾波器設(shè)計(jì)方法的演變 (1) 設(shè)計(jì)無(wú)源濾波器無(wú)源濾波器可以設(shè)計(jì)為無(wú)源RC濾波器、無(wú)源LC濾波器等，主要使用相應(yīng)無(wú)源元器件實(shí)現(xiàn)