【正文】 工程學(xué)院 專 業(yè)： XXXXXXX 學(xué)生姓名： XXX 指導(dǎo)教師： XXX 畢業(yè)設(shè)計（論文）時間：二 XXX年二月二十三日～六月 十 二 日 共 16周 中文摘要 I 摘要 本文設(shè)計 了 一個程控濾波器系統(tǒng)。 在信號頻率動態(tài)范圍不寬的場合，設(shè)定固定截止頻率的濾波技術(shù)也很成熟，但在許多工程應(yīng)用領(lǐng)域，信號頻率的動態(tài)范圍往往很寬，如在系統(tǒng)頻率響應(yīng)的微機(jī)自動測試中頻率在—1000Hz之間變化；在旋轉(zhuǎn)機(jī)械、大型水輪機(jī)組的機(jī)械故障診斷和炮口沖擊波壓力測試以及其他信號采集 測量場合，其信號頻率在幾赫茲到幾千赫茲之間不等。 80 年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。 （ 2）按選擇物理量分類 按選擇物理量分類，濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇（例如PCM 制中的話路信號）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。用 MAX262 專用程控濾波器芯片，通過設(shè)置不同的工作模式，第一章 緒論 3 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。 (5) 放大器的電壓增益為 60dB，輸入信號電壓振幅為 10mV；增益 10dB 步進(jìn)可調(diào)，電壓增益誤差不大于 5%。基 于 AT89C52 單片機(jī)和FPGA 模塊 ,利用 MAX262 芯片 ,實現(xiàn)了包括濾波參數(shù)設(shè) 制 ，濾波模式選擇，LCD 顯示輸出等功能的濾波器設(shè)計。通過 單片機(jī) 軟件設(shè)計可以精確的控制 各種 濾波器的傳遞函數(shù)。 AT89C52 只有 8KB 的 FLASH 對于復(fù)雜系統(tǒng)來說稍顯得小了點。 SPCE061A 是繼 μ?nSP?系列產(chǎn)品 SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款 16位的微控制器。 第二章 設(shè)計方案及論證 7 增益放大模塊設(shè)計方案 方案一 簡單的放大電路可以由三極管搭接的放大電路實現(xiàn) 為了滿足增益 60dB 的要求 ,可以采用多級放大電路實現(xiàn)。此外 ， 由于采用多級放大 ，電路穩(wěn)定性差 ， 容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。 方案中以凌陽單片機(jī)SPCE061A 作為控制中心，整個系統(tǒng)的控制和操作全部由凌陽單片機(jī) SPCE061A控制電路完成，如各項性能指標(biāo)的測量、各種信號之間的切換、 LCD 顯示、實時語音播報等。因此，以 μ?nSP?為核心的 SPCE061A 微控制器是適用于數(shù)字信號處理應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種非常經(jīng)濟(jì)的選擇。 如下圖 32 所示，是 SPCE061A 最小系統(tǒng)。系統(tǒng)預(yù)設(shè)的 PLL 振蕩頻率為 。如果電源電壓低于 時，會在 4 個時鐘周期之后產(chǎn)生一個復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。其中，設(shè)置為工作方式 1 時，實現(xiàn)題目中 巴特沃茲 低通濾波器 和 高通濾波器的要求。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itleN um be r R e vi s ionS iz eBD a te : 27 M a y 20 09 S h e e t of F ile : F :\F \原理圖 .D D B D r a w n B y:輸入1B P A2O P O U T3H P A4O P I N5I N A6D17A38C L K O U T9V+10A211C L K A12C L K B13A114A015W \R \16V17G N D18O S C O U T19D020H P B21B P B22L P B24L P A23I N BM A X 26 2 圖 33 MAX262引腳 V+ —— 正電源輸入端。 BPA、 BPB —— 帶通濾波器輸出端。 OP OUT —— MAX262 的放大器輸出端。 （ 4） 時鐘頻率與中心頻率比值 (fclk/f0)可達(dá)到 1%(A 級 )。通過 74HC373 的緩沖電路還可以防止由于邏輯輸入躍變而產(chǎn)生某些噪聲。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 13 J u n 20 0 9 S h e e t of F il e : F : \ F \ 61 A 板 _S c h. D D B D r a w n B y:D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515V+16OE1CLK11A0A1A2A3D0D1U?74 A L S 3 73+ 5V6D17A39V+10A213A114A016V19D024M A X 26 225W \ R \J P ?M A X 26 22 圖 37 緩沖 /鎖存邏輯輸入電路 理論分析計算機(jī)實現(xiàn) n階濾波器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式 011011 ^^)( aassasa bbssbsbsG nnnnmmmmn???? ????? ???? (m≤n) 公式（ 31） （ 1） 巴特沃茲二階低通濾波器的實現(xiàn) 將 MAX262 設(shè)置為工作方式 1，實現(xiàn)巴特沃茲二階低通 濾波器，本設(shè)計采用內(nèi)部濾波器 A，圖 23 的測試點 C 即是巴特沃茲二階低通濾波器的輸出端。 圖 35 是控制數(shù)據(jù)輸入時序。 圖 34是 MAX262的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 。 第三章 硬件電路設(shè)計 14 HPA、 HPB—— 高通、帶阻、全通濾波器輸出端。 GND —— 模擬地。 程控濾波器 MAX262芯片的簡介 MAX262 芯片是 Maxim公司推出的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，可通過微處理器精確控制濾波器的傳遞函數(shù) (包括設(shè)置中心頻率、品質(zhì)因數(shù)和工作方第三章 硬件電路設(shè)計 13 式 )。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，每隔一定的周期就必須清除 WatchDog 計數(shù)器。另外，還可以按鍵（ S1）外部復(fù)位。先在 OSC0、 OSC1 端接上晶體振蕩器及諧振電容，然后在 VCP 端接上相應(yīng)的電 容和電阻后即可工作，在其它不用的 VDD 端和 GND 端接上 的耦合電容提高抗干擾能力。 圖 31 SPCE061A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 第三章 硬件電路設(shè)計 10 其主要特點如下： (1) 共有 84 個引腳。用兩級 AD603 增益可控放大器完成信號放大功能。但 AD7520 對輸入范圍有要求 ， 具體實現(xiàn)起來比較復(fù)雜 ,而且轉(zhuǎn)化非線性誤差大 ， 帶寬只有幾kHz， 不能滿足頻帶要求。 方案二 為了易于實現(xiàn)最大 60dB 增益的調(diào)節(jié) ， 可以采用 D/A 芯片 AD7520的電阻權(quán)網(wǎng)絡(luò)改變反饋電壓進(jìn)而控制電路增益。該單片機(jī)還具有 DSP 功能，有很強(qiáng)的信息處理能力，最高時鐘頻率可達(dá)到 49MHz，具備運算速度高的優(yōu)勢等等。 方案二 單片機(jī)根據(jù)輸入的參數(shù) ， 控制多路模擬開關(guān) CD4051 對小信號進(jìn)行相應(yīng)的放大 ， DDS 產(chǎn)生時鐘脈沖控制開關(guān)電容濾波器 MF10 的 濾波頻率 ， 將相關(guān)參數(shù)在 LCD 上進(jìn)行顯示 。 控制模塊 方案比較及選擇 方案一 AT89C52 是一種低功耗、高性能的 CMOS 型 8 位微型計算機(jī)；有8 KB 的 Flash， 256 B 的 RAM， 32 線 I/O 接 口， 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器， 6 向量兩級中斷， 1 個雙工串行口；具有片內(nèi)自激振蕩器和時鐘電路等標(biāo)準(zhǔn)功能。 圖 21 基于 89C52和 FPGA的程控濾 波器方框圖 CPU FPGA 程控放 大模塊 待測單元 MAX262 信號輸入 鍵盤 顯示 16 位 A/D 時 鐘 減幅電路 第二章 設(shè)計方案及論證 5 方案二 基于 AT89C52 單片機(jī)和 直接數(shù)字合成芯片 DDS 的設(shè)計方案 如圖 22 所示，為方案二的 設(shè)計 方框 流程 圖。 第二章 設(shè)計方案及論證 4 第二章 設(shè)計方案及論證 本章包括方案論證和方案設(shè)計兩部分。 (2) 后級濾波器部分，要求濾波功能可設(shè)置，如：可設(shè)置為低通濾波器、高通濾波器、四階橢圓低通濾波器 。 在各類濾波器中，程控濾波器很難歸類于哪一類。 程控濾波器就是第一章 緒論 2 在這一背景下產(chǎn)生的。 到目前為止程控濾波器是濾波器中最為高端先進(jìn)的一種濾波器，它有著精確、使用靈活、方便等特點，在以后的發(fā)展中占據(jù)著很重要的作用。本設(shè)計的主要內(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、語音電路、電源電路、程序下載區(qū)電路和理論分析計算以及軟件實現(xiàn)等。 本系統(tǒng)設(shè)計簡單，能很好地實現(xiàn)濾波器的程控，使用方便，具有較高的性價比、實用性和使用價值。 20 世 紀(jì) 50 年代無源濾波器日趨成熟。當(dāng)然，每個分類又可繼續(xù)分下去。 主要設(shè)計內(nèi)容及指標(biāo) 本系統(tǒng) 以凌陽單片機(jī) SPCE061A 作為控制中心，整個系統(tǒng)的控制和操作全部由單片機(jī)控制電路完成，如各項性能指標(biāo)的測量、各種信號之間的切換、 LCD顯示、實時語音播報等。 (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。 方案論證 本設(shè)計方案論證部分分為控制模塊方案設(shè)計和增益放大控制模塊設(shè)計兩部分。提出了采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)為開關(guān)電容濾波器提供時鐘脈沖 ,有效地控制高 /低濾波電路的截止頻率。由于時鐘被凍結(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。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)字量形式的信號通過 DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量形式的合成技術(shù)。且 SPCE061A 中不僅具有語音識別功能 ,而且具有豐富的語音函數(shù)庫，便于編程實現(xiàn)。 方案三 根據(jù)題目對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)的運放實現(xiàn) ， 如運放 AD603。這種方法的優(yōu)點是電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化第二章 設(shè)計方案及論證 8 用單片機(jī)處理。 凌陽單片機(jī) SPCE061A最小系統(tǒng)設(shè)計 SPCE061A 不但具有微控制器的功能，還具有 DSP 運算功能，可用來進(jìn)行數(shù)字信號處理。 (3) 使用凌陽科技的音頻編碼 SACM_S240 方式 ( Kb/S)能容納 210 S的語音數(shù)據(jù)。外接晶振采用 32768Hz。該電路具有手動和上電復(fù)位 兩種功能。因為 WatchDog的溢出復(fù)位信號 WatchDog_Reset 由 4Hz 時基信號經(jīng) 4 分頻之后產(chǎn)生的，即每 4 個 4Hz 時基信號 (1 秒 )將會產(chǎn)生一個 WatchDog_Reset 信號。對濾波器的方式，中心頻率 f0，品質(zhì)因數(shù) Q 可通過 D0D A0～ A3 端口線在 WR 上升沿寫入所選中的內(nèi)部單元來設(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)。 CLKOUT —— 晶體振蕩器和 RC 振蕩的時鐘輸出端。此外，還可以接收 TTL電平信號，并上升沿鎖存輸人數(shù)據(jù)。 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 號輸 入信 號輸 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) 計軟件，可改善濾波特性，帶有微處理器接口 。 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 H