【正文】 經(jīng)過反復(fù)測試調(diào)試，最終在軟件設(shè)置上得到一系列修正參數(shù)，輔以硬件系統(tǒng)對信號完整性考慮的相關(guān)設(shè)計，使得濾波器系統(tǒng)可以達到實際使用的要求。各種系統(tǒng)的適用條件，各種 元器件 的選用標(biāo)準(zhǔn)， 整體電路的布局， 我都是隨著設(shè)計的不斷深入而不斷。 通過這次畢業(yè)設(shè)計我比較 完整的 體會了一次軟硬件結(jié)合開發(fā)的過程 ， 這使我 擺脫了單純的學(xué)習(xí)理論知識 的 狀態(tài) ， 實際設(shè) 計鍛煉了我的綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及 相關(guān)軟件使用 等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到 了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升 ，想必 這 也正是我們進行畢業(yè)設(shè)計的目的所在。 系統(tǒng)不足之處： 由于前置抗混疊濾波器和平滑濾波器只采用了簡單的一階 RC 濾波，因此，在頻率點附近的頻率不夠，造成有少量的時鐘混疊現(xiàn)象，尤其是在 1kHz5kHz 低通下，此時，時鐘頻率較低，前置抗混疊濾波器和平滑濾波器濾波不足，若能采用有源的高階(如 7 階橢圓濾波器 )，時鐘混疊和干擾現(xiàn)象一定會大為減小。故本課題使用微調(diào)輸入時鐘頻率的方法修正 MAX262 提供的輔助濾波器設(shè)計軟件設(shè)計的濾波器相關(guān)參數(shù)有誤差的問題。 2)時鐘產(chǎn)生 模塊實現(xiàn)功能：使用 AD9850 實現(xiàn)，由 MCU 發(fā)送 40 位可程控頻率字FTW 控制 AD9850，產(chǎn)生所需正弦波波形頻率與相位 ，輔以硬件整形電路即可實現(xiàn)相應(yīng)時鐘頻率 。 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計 22 第 五 章 系統(tǒng)軟件 設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng) 功能描述 本設(shè)計的軟件 控濾波模塊 部分主要包括獨立鍵盤模塊、顯示模塊、 時鐘產(chǎn)生 模塊 、程控濾波模塊 。同時， 在控制濾波器實現(xiàn)相應(yīng)濾波特性的同時，寫入濾波器數(shù)據(jù)端和地址端的信號也會產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲，故相應(yīng)信號線可以用鎖存器緩大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計 21 沖相應(yīng)寫入信號的突變改善濾波效果， 實際電路原理圖如下圖 49 所示： 圖 49 程控濾波器模塊 鎖存器緩沖 模塊原理圖 濾波器系統(tǒng)另一個必須考慮的問題就是開關(guān)電容型濾波器濾波特性比較偏向數(shù)字濾波器，即輸出波形為臺階狀的信號，并且輸出波形的階梯狀以內(nèi)部采樣速率出現(xiàn)，消除此現(xiàn)象可使用一級單級點 RC 平滑濾波器 ( 04f 處 )消除，實際電路原理圖如下圖410 所 示： 圖 410 程控濾波器模塊 鎖存器緩沖 模塊原理圖 當(dāng)設(shè)計多級濾波器時，要使輸出噪聲較低應(yīng)將具有高 Q 值的濾波系統(tǒng)放在第 一級。 4 OP IN MAX262 運算放大器的反向輸入端 (同相輸入在內(nèi)部連接到地 )。 完成對濾波器工作模式 、 0f 和 Q 的相應(yīng)設(shè)置。 15 WR 寫允許輸入端。 5,23 ,ABIN IN 濾波器信號輸入端。此時鐘在內(nèi)部被二分頻。 在單電源應(yīng)用中 .GND 端應(yīng)很好地旁路。 程控濾波器 芯片 MAX262引腳說明 本課題 采用 24 腳 SOP 封裝的 芯片，具體引腳圖如下圖 47 所示： 圖 47 MAX262 的引腳排列圖 引腳功能具體見下表 42 所示： 表 42 MAX262 引腳說明 MAX262 引腳 名稱 功能 9 V? 正電源電壓輸入端。 DDS 芯片 AD9850 引腳說明 本課題 采用 28腳 SSOP 封裝的 芯片，具體引腳圖如下圖 45所示： 圖 45 時鐘產(chǎn)生模塊原理圖 時鐘產(chǎn)生模塊 原理圖 本課題設(shè)計的 時鐘產(chǎn)生模塊 實際電路原理圖如下圖 46所示： 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計 19 圖 46 時鐘產(chǎn)生模塊原理圖 程控濾波器模塊 設(shè)計與實現(xiàn) 程控濾波器 芯片 MAX262簡介 MAX262 是一種使用 CMOS 制作工藝，兼有雙二階通用開關(guān)電容型有源濾波器特性，可由微處理器精確、獨立控制濾波函數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)帶通、低通、高通、 帶通 和全通配置的濾波器，并且不需要添加外部元件即可使用。范圍的一個相位點。 液晶顯示器 LCD12864主要管腳說明 本課題 采用 20Pin 封裝的 單列 LCD12864 接口 雙列 ，引腳功能見下 表 41 所示 ： 表 41 LCD12864管腳功能描述 管腳號 管腳名稱 電平 管腳功能描述 1 VSS 0V 電源地 2 VCC +5V 電源正 3 V0 對比度 (亮度 )調(diào)整 4 RS(CS) H/L RS=“H”,表示 DB7——DB0 為顯示數(shù)據(jù) RS=“L”,表示 DB7——DB0 為顯示指令數(shù)據(jù) 5 R/W(SID) H/L R/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到 DB7——DB0 R/W=“L”,E=“H→L”, DB 7——DB0 的數(shù)據(jù)被寫到 IR 或 DR 6 E(SCLK) H/L 使能信號 7 DB0 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 8 DB1 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 9 DB2 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 10 DB3 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 11 DB4 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 12 DB5 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 13 DB6 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 14 DB7 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 15 PSB H/L H： 8 位或 4 位并口方式， L：串口方式 (見注釋 1) 16 NC 空腳 17 RESET H/L 復(fù)位端，低電平有效 (見注釋 2) 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計 17 18 VOUT LCD 驅(qū)動電壓輸出端 19 A VDD 背光源正端 (+5V)(見注釋 3) 20 K VSS 背光源負端 (見注釋 3) 顯示模塊 原理圖 本課題設(shè)計的顯示模塊實際電路原理圖如下圖 43所示： 圖 43 顯示器 LCD1286 SPI 模式原理圖 使用 LCD12864的 SPI接法實現(xiàn)顯示模塊的最小占用 MCU的 I/O口設(shè)計 方法，具有一定推廣意義。 利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。 12. PWM/PCA (2 路 )可用來當(dāng) 2 路 D/A、 2 個定時器或 2 個外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中 斷均可分別或同時支持 )使用。當(dāng)精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準(zhǔn)。 9. 芯片內(nèi)置硬件看門狗并且內(nèi)部集成 MAX810專用復(fù)位電路 (外部晶體 12M以下時，復(fù)位腳可直接 1K 電阻到地 )。 6. 片上集成 ROM/FLASH62K 字節(jié)，片上集成 RAM1280 字節(jié)。 2. 寬工作電壓： 。 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計 14 第四 章 系統(tǒng)硬件 設(shè)計與實現(xiàn) 實現(xiàn)濾波器系統(tǒng)對硬件設(shè)計與實現(xiàn)方法要求較為苛刻， 設(shè)計時 必須從多方面因素考慮， 經(jīng)過實際測試與驗證發(fā)現(xiàn)，濾波器系統(tǒng)極易受到電磁干擾。 綜上所述， 考慮開發(fā)時間和成本控制模塊選用方案二 ，即使用 LCD12864 組成顯示模塊 。 方案二： 選用 LCD12864 組成顯示模塊。使用 FPGA 生成 32 位NIOS2 處理器并將 時鐘生成模塊 生成與同一 FPGA 芯片內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，開發(fā)周期短，易于實現(xiàn) SOPC 片上系統(tǒng)，但設(shè)計較為復(fù)雜，故不采用。此種方案利用 8 位 MCU，結(jié)合實際設(shè)計要求，從簡化系統(tǒng)電路及成本的角度看較為實用。 方案 三 ： 由 STC12C5A60S2 系列 MCU 內(nèi)置 ADC 模塊加以 2 位獨立鍵盤及電阻組成鍵盤模塊 (僅占 1 位 I/O 口 )，即通過不同電阻值量化判斷哪位被按下觸發(fā)。此種方案占用 8 位 I/O 口，較為浪費 I/O口資源，但后期維護及功能拓展較為方便。 雙電源供電。 程控濾波器模塊 的論證與選擇 本課題針對使用 MAX262 作為 程控濾波器 芯片 ， 控制時注意供電方式即可 ： MAX262 提供多種供電方式，即使用單電源或雙電源供電，不同供電方式對輸入信號濾波效果不同。 方案三： 產(chǎn)生 可調(diào) 時鐘 方案，具體設(shè)計如下： (1)使用 以 DDS 模塊 AD9850 產(chǎn)生相應(yīng)所需頻率可調(diào)正弦波 ， 輔以整形電路產(chǎn)生相應(yīng)時鐘即可 。 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計 11 圖 31 系統(tǒng)硬件總框圖 下面著重幾個模塊論證上述模塊的設(shè)計方案 ?？梢岳每沙炭匦盘柊l(fā)生器 代替外部 固定頻率時鐘輸入，以實現(xiàn)濾波參數(shù)的可控。 該方案不僅具有很高的精度，而且濾波器參數(shù)設(shè)計極為靈活 ， 不僅能方便 調(diào)節(jié)濾波器的各種參數(shù)，甚至連濾波器種類、階數(shù)等都 可以方便調(diào)節(jié)功能極其強大。 該方案的特點是成本低廉，實現(xiàn)起來比較簡單，而且模擬濾波器設(shè)計相對成熟，易于設(shè)計實現(xiàn)。 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計 10 第三 章 程控濾波器總設(shè)計方案論證 程控濾波器 設(shè)計總體思路介紹 針對濾波器的程控方案設(shè)計大致有如下幾種設(shè)計方案可以考慮。直到美國 Maxim公司的 Max260 系列的引腳或處理器可編程開關(guān)電容型濾波器面世，這一局面才被打破。但是這類器件要獲得特定的頻率特性，反饋電阻的數(shù)值計算比較復(fù)雜。在所有開關(guān)電容型濾波器中電阻編程開關(guān)電容型濾波器提供了最大的靈活性。一般每個芯片包含一個或數(shù)個二階節(jié)。這樣的開關(guān)電容型濾波器顯然具有很大的靈活性。因此僅需在片子上外加一個時鐘源就可濾除信號中的基頻和二次、三次諧波。時鐘頻率與轉(zhuǎn)折頻率之比固定為 50： 1 或 100： 1。 濾波器不需要外接的分立元件， 用戶只需提供一個時鐘信號來設(shè)置濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。用戶可用一定的方法來改變開關(guān)電容型濾波器的參數(shù)從而使開關(guān)電容型濾波器 能滿足一定的指標(biāo)要求， 選用不同的參數(shù)可得到不同的濾波特性。目前市場上開關(guān)電容 型濾波器產(chǎn)品品種繁多，并不斷有新的產(chǎn)品問世。相同的性能指標(biāo)如用開關(guān)電容型濾波器來實現(xiàn)就要簡單得多。 (6)開關(guān)電容型濾波器得到廣泛應(yīng)用的最重要原因在于它的使用靈活方便性。 (4)開關(guān)電容型濾波器的通用性已經(jīng)接近了門 級 電路或運放 級 電路的通用性。所以開關(guān)電容型濾波器轉(zhuǎn)折頻率的精度也相應(yīng)提高。 (2)開關(guān)電容型濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 (或截止頻率 )的精度較高。 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計 7 一個單極點有源積分器如圖 25(c)所示，其截止頻率 0f 為： 0 1/ 2f RC? 25 將 R 用開關(guān)電容電阻來代替 ，即如圖 25(d)所示 ： 0 /2clk a bf f C C? 26 所以截止頻率與時鐘頻率和電容比 /abCC成正比。一個電容和一對開關(guān)可模擬一個電阻，其等效電阻與開關(guān)的開關(guān)頻率成反比，工作原理示意圖如圖 25 所示： 圖 25 開關(guān)電容型濾波器的基本原理 根據(jù)歐姆定律，電壓 inV 加到一個電阻上將產(chǎn)生電流 ，具體如圖 25(a)所示 ： /inI V R? 21 當(dāng) 考慮圖 25(b)的電路 時， 圖中輸入電壓 inV 通過開關(guān) 1S 和 2S 加到 C 上，使電容充放電。 開關(guān)電容型濾波器 的 原理 概述 開關(guān)電容型濾波器的基本原理 RC 有源濾波器由電阻 R 、電容 C 和有源放大器組成。 值得一提的是開關(guān)電容型濾波器性能更像數(shù)字濾波器，具體設(shè)計電路 示意圖如下 圖 23 所示 ： 圖 23 開關(guān)電容型濾波器 示意圖 濾波網(wǎng)絡(luò)多以 MOS 管、電子開關(guān)、小規(guī)模集成運放等組成，易實現(xiàn)大規(guī)模集成。 缺點 ： 與巴特沃茲相比 ， 貝賽爾濾波器的通帶外衰減較為緩慢。 缺點 ： 階躍響應(yīng)存在一定的過沖及振蕩。對于給定的極點數(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。 在極 點數(shù)量一定時，增加通帶紋波可實現(xiàn)更陡峭截止。 切比雪夫濾波器 切比雪夫濾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)點是以犧牲通帶內(nèi)的幅度變化量 為代價的。 濾波器的原理 三種典型濾波器概述 巴特沃茲濾波器 巴特沃茲濾波器具有盡可能 平坦的通帶 幅度響應(yīng)。 (3) 從處理信號上來分 為 ：經(jīng)典濾波器、現(xiàn)代濾波器 。 濾波器就是利用一些特殊元器件的特性，將有用信號取出，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。 第 四 章 介紹本課題 系統(tǒng)硬件 各模塊 設(shè)計與實現(xiàn) 。通過本次程控 濾波器 的 系統(tǒng) 設(shè)計 ， 可以增強濾波器系統(tǒng)設(shè)計能力和發(fā)現(xiàn)問題、 分析 問題、解決問題的能力 。 目前， 國外已批量生產(chǎn)了各種單片集成開關(guān)電容濾波器 并可實現(xiàn) 程控濾波 的效果。 本課題程控濾波器系統(tǒng)是針對目前傳統(tǒng)濾波器的不足提出的，輔以開關(guān)電容濾波器的設(shè)計理念，兼顧數(shù)字化的控制過程能夠減少使用過程中的不確定因素和人為硬件設(shè)計參與的環(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)品一致性等工程問題，極大地