【正文】 比如 說可以把電路進行優(yōu)化設(shè)計，讓低通 濾波 電路的截止效果更明顯、性能更好。它 集模擬電路 技術(shù)、單片機技術(shù)于一身，具備了以往 濾波 電路系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點。接 下來我們將 2KHz的信號輸入到 截止 頻率為 1KHz 的程控濾波電器中 。 本系統(tǒng) 是程控低通濾波器的設(shè)計， 具體 的實物電路要實現(xiàn)兩個基本功能一個就是低通濾波電路的功能，另一個就是 利用 同樣的這個電路實現(xiàn)不同的截止 頻率 濾波設(shè)計。 三 個截止頻率的不同，主要在于電路設(shè)計中對電阻、電容值的不同設(shè)定，進而產(chǎn)黑龍江 工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 19 生不同的效果。對 原理 圖和程序代碼 驗證 得出設(shè)計正確后，就需要 焊接電子 器件測試實際電路板 ， 調(diào)整好實際電路板后就完成了整個系統(tǒng)電路的設(shè)計 。 按鍵去 抖動程序設(shè)計 本 系統(tǒng)設(shè)計中 是 通過按鍵輸入的方式實現(xiàn) 不 同截止 頻率 的濾波電路的選擇的，所黑龍江 工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 16 以對于按鍵 這 一塊的處理要非常重視，避免出現(xiàn)一次按下多次響應(yīng)的錯誤。 同 時 單片機需要將 當(dāng)前濾波電路 的工 作模式及當(dāng)前截止頻率 送 到液晶進行顯示。 利用78XX 系列來 得到 正負(fù) 12V、 正負(fù) 5V 供電電壓。通過 這樣方式就可以接入不同的電容值 [12]， 例如 電路 設(shè)計是產(chǎn)生截止頻率為 50Hz 的低通濾波器， 按下按鍵 0，給 運放接正負(fù)兩個電源供電，各電阻電容值 分別 為： R1=R2=10KΩ， C1=300nF， C4=150nF；電路 設(shè)計是產(chǎn)生截止頻率為 100Hz 的低通濾波器， 按下按鍵 1， 給 運放接正負(fù)兩個電源供電，各電阻電容值 分別 為： R1=R2=10KΩ， C2=110nF， C5=51nF；電路 設(shè)計是產(chǎn)生截止頻率為 1KHz的低通濾波器， 按下按鍵 2， ,給 運放接正負(fù)兩個電源供電，各電阻電容值 分別 為： R1=R2=10KΩ， C3=15nF， C6=。即整個程控濾波器可分為三個檔位，通過 對不同的電 容 的切換 ， 進而切換出巴特沃斯濾波器 ， 而改變電容這個過程則需要控制芯片和模擬開關(guān)共同作用方可完成。在 對 芯片進行程序下載時可以利用串口直接下載電路需要的程序。黑龍江 工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 7 第 3 章 硬件設(shè)計 在 本 次 的課題 設(shè)計 中 最重要的一部分就是 硬件 電路 設(shè)計 ， 這 一部分 是 制作實際電路板 必須 要進過的一個環(huán)節(jié)， 根據(jù)對實際 功能 的需求設(shè) 計出符合并能實現(xiàn)程控低通濾波器的電路。 利用 LM358AD 運算放大器設(shè)計兩個電壓跟隨器利用其輸入阻抗高等特點實現(xiàn)頻率信號的緩沖與隔離干擾的作用，然后讓信號輸入運放的正相端，利用 LM358AD 實現(xiàn)同相輸入的壓控電壓源二階低通濾波電路 [15,16]，最后將濾波的結(jié)果用液晶進行顯示 。 黑龍江 工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 4 第 2 章 整體方案 設(shè)計 系統(tǒng) 設(shè) 計的需求 本 課題設(shè)計 的 是程控低通濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)，具體 需要 實現(xiàn) 的 要求是單片機可以通過按鍵的方式控制模擬開關(guān) CD4051， 從而使 濾波 電路接入不同的電容值，這樣就可以 改變 濾波電路的不同截止頻率 ，然后 通過 LCD 液晶顯示的方法顯示出截止頻率是多少，選擇的是 哪種 模式 [8]。程控濾波器是目前最為高端的濾波器，對于 不 同的頻率 輸入 信號很有必要采用多種截止頻率的濾波器，用程控方法實現(xiàn)不同的截止頻率濾波電路設(shè)計就是程控濾波器。 濾波器 在我國的使用也已很長的時間了，在最早期 50 年代 時 我 國的濾波 器 設(shè)計技術(shù)是非常落后的，基本上都是由外國科技人員掌握著相關(guān)技術(shù) [4]。 在上世紀(jì) 初 德黑龍江 工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 2 國的科學(xué)家首次成功制作了 LC濾波器，在其后的幾十年內(nèi)這種基于電感、電容、電阻的濾波器越來越成熟， 后 來工程人員將這類濾波器統(tǒng)稱為無 源 濾波器。 低通 濾波器 是 信號學(xué)科中非常重要的 一 個設(shè)備， 也 是在 學(xué)生 學(xué)習(xí) 與 科研應(yīng)用最多的一個機器，甚至可以說 它 的方便化、智能化、高性價比是 實驗設(shè)備 一 直不斷追求 的指標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，功能易擴展，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 程 控低通濾波器的 設(shè)計 院系名稱 ： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 ： 電子信息工程 112班 學(xué)生姓名 ： 馬 恒坤 指導(dǎo)教師 ： 劉靜森 職 稱 ： 副教授 黑 龍 江 工 程 學(xué) 院 二 ○ 一五 年六月 The Graduation Design for Bachelor39。 最后 ， 利用 Multisim軟件進行了電路仿真。本次 設(shè)計程控 低通濾波器系統(tǒng)包含 單片機 最小系統(tǒng) 、壓控 電壓源二階低通濾波器設(shè)計、電源電路、 LCD 顯示 控制 電路 ，工 作人員通過 液晶 顯示 的數(shù)值 得知當(dāng)前電路的截止頻率 。 國 內(nèi)外現(xiàn)狀和 發(fā)展趨勢 回顧 整個電子工業(yè)的快速發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，濾波器 在 其中扮演著非常重要和突出的角色，它是工程技術(shù)人 員 使用次數(shù)最多、出現(xiàn)頻率最高的儀器設(shè)備 [1]。本 課題 所設(shè)計的程控低通濾波器就 是根據(jù) 這 樣 的背景 而 產(chǎn)生的。 本 次 課題 設(shè)計 的 程控濾波器很難歸類于哪一類。 第 5 章 主 要 是程序的調(diào)試， 運用 Multisim 軟件 進行電路的仿真， 并 描述了實物調(diào)試的過程 。在這 種 有 源 濾波電 路 設(shè)計的基礎(chǔ)上結(jié)合單片機技術(shù) 通過軟件 程序 的 方式去實現(xiàn)不同 數(shù)值 電阻電容 接 入同一個 濾波 電路 ，實現(xiàn) 這 樣 的設(shè)計除了單片機之外還要利用模擬開關(guān) CD4051 進行 不同通道 不 同電容值的切換 [15]。 黑龍江 工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 6 本章小結(jié) 本 章 首先 介紹了整個系統(tǒng)的設(shè)計需求， 并 給出了兩種設(shè)計方案通過對比最終選擇了方案二， 然后 詳細(xì)分析了整個系統(tǒng)的組成單元和每個單元要實現(xiàn)的功能及目的。 此 款單片機的工作電壓為 ~，內(nèi)部 Flash 為 8K、 RAM 為 512 字節(jié) 。為了減少模擬開關(guān)的個數(shù)，本次設(shè)計我取電阻不變，只改變電容值的做法，取電阻 R1=R2=10KΩ，則根據(jù)公式： C1=2C2， RCf ?2/1?計算求得：當(dāng) C1=300nF、 C2=150nF 接入電路時，截止頻率為 50Hz；當(dāng) C1=110nF，C2=51nF 接入電路時， 截止頻率為 100Hz；當(dāng) C1=15nF， C2= 接入電路時，截止頻率為 1000Hz。 在 具體 的工作實現(xiàn)中是通過輸出高低電平給 A、 B、 C 然后 選擇對應(yīng)的通道，例如輸入 三 個 000 低 電平就會選擇輸出通道 0， 輸入 001 兩 低一高電平就會選擇輸出通道 1。在 電路 中加入了很多的電容進行退耦 來 降低電源的紋波減少干擾，得到帶有微 小 波紋電壓的電壓。在 按鍵控制信號 的采集過程中，需要 對輸入 信號 進行按鍵 去抖動程序處理，保證信號輸入的準(zhǔn)確性避免出現(xiàn)按一次多次響應(yīng)的錯誤，在本設(shè)計中選用的單片機 要 通過引腳 輸出 的高 低電平命令 實現(xiàn) 對模擬開關(guān) CD4051 的 輸出通道口的選擇。 黑龍江 工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 15 程控通道程序設(shè)計 程 控通道的選擇是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的功能電路核心， 這 一部分主要是由單片機和模擬開關(guān) CD4051 配合 來實現(xiàn)的， 單片機 通過自己的引腳對接模擬開關(guān)的控制引腳進行數(shù)據(jù)命令的傳輸，模擬開關(guān)接收到命令后去 選擇 相應(yīng)的通道輸出口繼而連接不同的電容進入濾波電路中 ， 具體實現(xiàn)的流程如 圖 所 示： 給 引 腳 賦值 P 1 . 0 = 0P 1 . 1 = 0P 1 . 2 = 0給 引 腳 賦值 P 1 . 0 = 1P 1 . 1 = 0P 1 . 2 = 0給 引 腳 賦值 P 1 . 0 = 0P 1 . 1 = 1P 1 . 2 = 0C D 4 0 5 1A = 0B = 0C = 0通 道O U T 0C D 4 0 5 1A = 1B = 0C = 0通 道O U T 1C D 4 0 5 1A = 0B = 1C = 0通 道O U T 2結(jié) 束開 始單 片 機 初 始 化按 鍵 2 按 下 ？按 鍵 1 按 下 ？YYNN 圖 程 控通道選擇 首先 單片機進行初始化設(shè)置， 然后 按下按鍵選擇具體的截止頻率與工作 模式 ，按鍵 0 對應(yīng) 的截止頻率為 1KHz，按鍵 1 對應(yīng) 的截止頻率為 100Hz，按鍵 2 對應(yīng) 的截止頻率為 50Hz， 單片機 在得到按鍵按下的命令后去判斷是 按鍵 幾，然后執(zhí)行相 對 應(yīng) 的功能命令，例按鍵 2 按下單片機對 與模擬開關(guān)相連接的 、 、 進行 電平賦值 0、 0、 0，與 之相連的模擬開關(guān)就會選擇輸出通道 0 作 為輸出端，繼而與輸出通道相連接的兩個電容值就接入到了濾波電路中，與電阻、運放一共構(gòu)成了截止頻率 為1KHz 的低通濾波電路，其它濾波電路 的 實現(xiàn)原理 與 1KHz 一樣 。 在設(shè)計 好 電路 原理圖和程序代碼后，就需要 對 電路 設(shè)計原理進行仿真驗證其設(shè)計是否正確，有什么問題能否達(dá)到設(shè)計要求的 性能 。 根據(jù) 這樣的設(shè)計思想， 在 進行電路驗證的時候利用 multisim得到截止頻率分別為 50Hz、 100Hz、 1KHz的三個截止頻率 。系統(tǒng) 工作的過程是 程序在 Keil 軟件中調(diào)試通過并下載到單片機中 ，將 電源通過變壓器接入電源電路，然后通過按鍵選擇截止頻率不同的電路， 下 圖展現(xiàn)的就是電路在實際工作中的圖片 ，可以 看出液晶上顯示了模式 與 截止 頻率 ， 濾波 電路黑龍江 工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 22 輸入端連接信號發(fā)生器 ， 通過信號發(fā)生器輸出 的 信號 作 為濾波電路的 信號 來源，然后將輸出端連接示波器，通過示波器所顯示的波形來判斷濾波電路對信號的處理性能， 實際圖 如 圖 所 示 ： 圖 實際 電路圖 從 上圖中可以看出，左上側(cè)的為變壓器作用是 把 接入 的 220V 交流電變 為 12V 輸出的直流電，然后將 12V 直流電接入到電源電路中的 12V 接入端，通過電源電路的轉(zhuǎn)換就可得到正負(fù) 5V 的 電壓 ，通過這個正負(fù)電壓可以為運放、單片機等進行電源供電 ， 在圖左側(cè)為單片機最小系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的控制核心，在其旁邊的是 顯示 液晶 和 控制 按鍵，通過杜邦線將其與單片機進行連接， 其余 部分為電壓跟隨器、 CD4051 模擬開關(guān)和二階 濾波 電路。 圖 (a) 30Hz 信號 頻率 波形 圖 圖 (b) 200Hz 信號 頻率 波形 圖 最后 ， 利用按鍵選擇 截止 頻率 1KHz 的 程控低通濾波電路， 經(jīng)過調(diào)試得到 阻 帶的截止頻率為 1100Hz， 將 200Hz、 2KHz 的 信號 頻率 通過 濾波 電路 進行 示波 器 觀察，具體的 波形 圖 如 (a)、 (b)所示： 黑龍江 工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 25 通過 示波器的波形圖可以看出 200Hz的信號頻率通過 程 控濾波 電路 后沒有任何變化，信號的幅度值與 信號 波形 都 沒有損失，說明 200Hz 信號成功通過了截止 頻率為1000Hz的 低通 濾波電路 。 整個 系統(tǒng) 其具有 很 現(xiàn)實的 市場 需要及使用價值， 在 電路設(shè)計層面上它有著功能齊全、設(shè)計穩(wěn)定、整體系統(tǒng)運行很好 的 優(yōu)點。 設(shè)計 的不足和展望： 由于各方面的限制，本系統(tǒng)還存在很多不完善之處，有待于繼續(xù)改進和完善。 這 次的設(shè)計結(jié)束后懂得了 ， 學(xué)習(xí) 是一個自己不斷去尋找去完善的一個過程， 要時刻提醒自己不要眼高手低，以至于真正的動手實踐時，無從下手，要腳踏實地，不斷進