【正文】 ..................................................... 47 附 錄 ................................................................................................... 48 第一章 緒論 1 第 一 章 緒論 課題的背景和 意義 在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛，從某種意義上來(lái)說(shuō)濾波器的發(fā)展進(jìn)程就代表了電子業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，在所有的電子部件中，使用最多、技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：基于 AD603 增益可控放大器電路、基于 MAX262 的程控濾波器電路、單片機(jī)控制電路、語(yǔ)音電路、電源電路、程序下載區(qū)電路和理論分析計(jì)算以及軟件實(shí)現(xiàn)等。該系統(tǒng)以凌陽(yáng)單片機(jī) SPCE061A 作為控制中心，用美國(guó) Maxim公司的可編程開關(guān)電容型通用濾波器 MAX262 專用程控濾波器芯片來(lái)完成濾波功能，用美國(guó) ADI 公司的增益可程控集成運(yùn)算放大器AD603 來(lái)完成信號(hào)放大功能。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能很好地實(shí)現(xiàn)濾波器的程控，使用方便，具有較高的性價(jià)比、實(shí)用性和使用價(jià)值。因此就有必要采用多種截止頻率的濾波器，用程控方法對(duì)頻率動(dòng)態(tài)范圍寬的信號(hào)進(jìn)行濾波。 20 世 紀(jì) 50 年代無(wú)源濾波器日趨成熟。 90 年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā) 和研制。當(dāng)然，每個(gè)分類又可繼續(xù)分下去。 （ 3）按頻率通帶范圍分類 按頻率通帶范圍分類，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個(gè)類別，而梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，因?yàn)樗兄芷谛缘耐◣Ш妥鑾А? 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及指標(biāo) 本系統(tǒng) 以凌陽(yáng)單片機(jī) SPCE061A 作為控制中心，整個(gè)系統(tǒng)的控制和操作全部由單片機(jī)控制電路完成，如各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)量、各種信號(hào)之間的切換、 LCD顯示、實(shí)時(shí)語(yǔ)音播報(bào)等。 設(shè)計(jì)任務(wù) 程控濾波器的設(shè)計(jì)包括以下設(shè)計(jì)內(nèi)容： (1) 前級(jí) 放大器部分，要求增益可調(diào) 。 (2) 濾波器可設(shè)置為高通濾波器，其 3dB 截止頻率 fc 在 1kHz~20kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)為 1kHz， 處的放大器與濾波器的總電壓增益不大于 30dB。 (6) 設(shè)計(jì)一個(gè)四階橢圓低通濾波器，帶內(nèi)起伏 ≤1dB， 3dB 通帶為 50kHz，要求放大器與低通濾波器在 200kHz處的總電壓增益小于 5dB， 3dB 通帶誤差不大于 5%。 方案論證 本設(shè)計(jì)方案論證部分分為控制模塊方案設(shè)計(jì)和增益放大控制模塊設(shè)計(jì)兩部分。在本程控濾波器的設(shè)計(jì)中 ,用 AT89C52單片機(jī)控制 MAX262 的傳遞函數(shù)，獨(dú)立編程設(shè)置其中心頻率和品質(zhì)因數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制，并且可通過(guò)附帶的濾波器設(shè)計(jì)軟件任意改善濾 波特性 ，利用 FPGA 模塊產(chǎn)生頻率變化范圍較寬的方波頻率信號(hào) ,該信號(hào)可以作為數(shù)字濾波器的參考輸入信號(hào)和待測(cè)單元的信號(hào)源。提出了采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)為開關(guān)電容濾波器提供時(shí)鐘脈沖 ,有效地控制高 /低濾波電路的截止頻率。 MAX262 是專用程控濾波器芯片， 可以 通過(guò) 軟件 設(shè)置 為 不同的工作模式，完成巴特沃茲低通濾波器、巴特沃茲高通濾波器和四階橢圓型低通濾波器功能。由于時(shí)鐘被凍結(jié)，一切功能都停止，只有片內(nèi) RAM 的內(nèi)容被保存，直 到硬件復(fù)位才恢復(fù)正常工作。另外對(duì)于要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)數(shù)，液晶顯示， D/A 轉(zhuǎn)換等功能時(shí)，51 單片機(jī)需要 的 外圍擴(kuò)展電路較多。直接數(shù)字頻率合成技術(shù) Direct Digital Synthesis, DDS 是一種把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過(guò) DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量形式的合成技術(shù)。該單片機(jī)內(nèi)置有 32 位 I/O 端口， 2 路 DA 轉(zhuǎn)換， 8 路 AD轉(zhuǎn)換， 14 個(gè)中斷源以及在線仿真等功能。且 SPCE061A 中不僅具有語(yǔ)音識(shí)別功能 ,而且具有豐富的語(yǔ)音函數(shù)庫(kù)，便于編程實(shí)現(xiàn)。電路輸出用二極管檢波 電路 產(chǎn)生反饋電壓調(diào)節(jié)前級(jí)電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益的調(diào)節(jié)。 方案三 根據(jù)題目對(duì)放大電路的增益可控的要求 ， 可以 考慮直接選取 增益 可調(diào)的運(yùn)放實(shí)現(xiàn) ， 如運(yùn)放 AD603。 方案二 由于 AD7520 對(duì)輸入?yún)⒖茧妷?V有一定幅度要求 ， 為使輸入信號(hào)在mV～ V每一數(shù)量級(jí)都有較精確的增益 ,最好使信號(hào)在到達(dá) AD7520前經(jīng)過(guò)一個(gè)適應(yīng)性的幅度放大調(diào)整 ,再通過(guò) AD7520 衰減后進(jìn)行相應(yīng)的后級(jí)放大 ， 并使前后級(jí)增益積為 1024， 與 AD7520 的衰減分母抵消 ,即可實(shí)現(xiàn)程控放大。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化第二章 設(shè)計(jì)方案及論證 8 用單片機(jī)處理。其原理框圖如圖 23。 凌陽(yáng)單片機(jī) SPCE061A最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) SPCE061A 不但具有微控制器的功能，還具有 DSP 運(yùn)算功能，可用來(lái)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。 SPCE061A 封裝形式為 PLCC84，結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 (3) 使用凌陽(yáng)科技的音頻編碼 SACM_S240 方式 ( Kb/S)能容納 210 S的語(yǔ)音數(shù)據(jù)。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 11 IOB3IOA5IOA0IOB5I O A 1 2IOA4I C E _ SD AIOB0I O B 1 5AV S S1I C E _ SC KVCPI O A 1 4IOA8VDDHIOA1VCMIOB9AVSS1IOB4O SC OVDDHI O B 1 2I O B 1 3O PIVDD_PIOB1SL E EPIOB8I O A 1 1AG CI O A 1 0I O B 1 4VRTIOA3IOB7IOB10I O A 9IOA6IOA2MICPVR E F 2O SC IIOB6I O B 1 1I O A 1 5I C E _ ENAV S S1RES_BIOB2VSSI O A 1 3IOA7M I C O U TVSSVSSVMICVSS VDDHD AC 1D AC 2D ACM I C NVSSVDD_AVSS VSSVD DC8104C 28104C 18104C 31104C7104O S C 32O12O S C 32I13X T E S T14V D D15X I C E16X I C E C L K17X I C E S D A18V S S19P V I N20D A C 121D A C 222V R E F 223V S S24A G C25O P I26M I C O U T27M I C N28P F U S E29MICP33VCM34VRTPAD35VDD36VMIC37VSS38IOA041IOA142IOA243IOA344IOA445IOA546IOA647IOA748VSS49VSS50VDDH51VDDH52IOA853NC39NC40NC30NC31NC32I O A 954I O A 1055I O A 1156I O A 1257I O A 1358I O A 1459I O A 1560X R O M T61V S S62X S L E E P63I O B 1564I O B 1465I O B 1366I O B 1267I O B 1168P V P P69VDDH75IOB1076IOB977NC70NC71NC72NC73NC74IOB878IOB779IOB680IOB581IOB41IOB32IOB23NC82NC83NC84IOB14IOB05XRESB6VDD7VCP8VSS9NC10NC11U1C5100 u+C4100 u+C 17100 u+C 27100 u+C 29100 u+VSSC220pC920pY1327 68O s c i l l a t o rVC PVSSC 10104C4330 0pP L LR2 KR ES _ BVSSC1104S1R E S E TR1 KVDDSL E EPVD DVSS1 2D2L E D1 2D1L E DR 131KR 12330+12J1C O N 2V R TC 22104C 19100 μV R E F 2A V S S 1V R E F123S5C O N 3R 28 K12345J4C O N 5V D DI C E _E NI C E _S C KI C E _S D AV S SP R O B E 圖 32 SPCE061A最小系統(tǒng) SPCE061A 最小系統(tǒng)中，包括 SPCE061A 芯片外圍的基本模塊有：晶振輸入模塊（ OSC）、鎖相環(huán)外圍電路（ PLL）、復(fù)位電路（ RESET）、指示燈（ LED）等。外接晶振采用 32768Hz。 復(fù)位電路（ RESET） ：復(fù)位是對(duì) 61板內(nèi)部的硬件初始化，由阻容電路第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 12 完成上電復(fù)位功能，通電時(shí)自動(dòng)復(fù)位。該電路具有手動(dòng)和上電復(fù)位 兩種功能。 WatchDog 是用來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)的正常運(yùn)作。因?yàn)?WatchDog的溢出復(fù)位信號(hào) WatchDog_Reset 由 4Hz 時(shí)基信號(hào)經(jīng) 4 分頻之后產(chǎn)生的，即每 4 個(gè) 4Hz 時(shí)基信號(hào) (1 秒 )將會(huì)產(chǎn)生一個(gè) WatchDog_Reset 信號(hào)。設(shè)置為工作方式 3 時(shí)，實(shí)現(xiàn)題目中四階橢圓 型低通濾波器的要求。對(duì)濾波器的方式，中心頻率 f0，品質(zhì)因數(shù) Q 可通過(guò) D0D A0～ A3 端口線在 WR 上升沿寫入所選中的內(nèi)部單元來(lái)設(shè)置濾波器的工作方式、中 心頻率 f0以及品質(zhì)因數(shù) Q 等參數(shù)。 V —— 負(fù)電源輸入端。 CLKOUT —— 晶體振蕩器和 RC 振蕩的時(shí)鐘輸出端。 LPA、 LPB —— 低通濾波器輸出端。此外，還可以接收 TTL電平信號(hào)，并上升沿鎖存輸人數(shù)據(jù)。 OP IN —— MAX262 的放大器反向輸入端。 濾 波 器 A濾 波 器 BI N B PB P I NC L K AO S O C L K BC L K O U TL P H PH PL P信 號(hào)輸 入信 號(hào)輸 出V +V G N D數(shù) 據(jù) 輸 入 5 V+ 5 V 圖 34 MAX262內(nèi)部結(jié)構(gòu) 該電路的主要特性有： （ 1） 配有濾波器設(shè) 計(jì)軟件，可改善濾波特性，帶有微處理器接口 。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 15 （ 5） 中心頻率 f0的范圍為 75kHz。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAAV SS 2VD D HDAC1VC MM I C O U TAV SS 1 VM I CAVSS1VD D _ PV3VD D H 3VD DVD D _ AV5I O A 1VD D HI O B 1 1I O B 1 4I O B 6I O B 5I O B 0VS SI O A 1 4I O B 8I O A 3VS SI O A 4I O A 0I O A 1 1VD D HI O A 1 2I O B 1 5I O A 2VS SI O B 1 3I O B 1 0I O A 7I O A 1 0I O A 6VS SVD D HI O A 1 5I O A 9