【正文】 00. 1uC 530. 1uC 520. 1uC 450. 1uC 440. 1uC 510. 1uC 500. 1u 5 V+ 5V 5 V+ 5VR 301. 2K R 32 1KB T 16VR 29 1KD / A 控制信號(hào)V outV i nS igna l i nS igna l o utF r om D / A 圖 36 基于 MAX262的濾波電路圖 振蕩器和時(shí)鐘輸入 MAX262 的時(shí)鐘電路可以在連接晶振、阻容 RC 網(wǎng)絡(luò)或外部時(shí)鐘發(fā)生器的方式下工作 。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)。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(xiě)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)。該電路具有手動(dòng)和上電復(fù)位 兩種功能。 (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)。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。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)。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。 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。 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。 20 世 紀(jì) 50 年代無(wú)源濾波器日趨成熟。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。 程控濾波器就是第一章 緒論 2 在這一背景下產(chǎn)生的。 (2) 后級(jí)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 。 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(cè)單元 MAX262 信號(hào)輸入 鍵盤(pán) 顯示 16 位 A/D 時(shí) 鐘 減幅電路 第二章 設(shè)計(jì)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(jì)方案 如圖 22 所示，為方案二的 設(shè)計(jì) 方框 流程 圖。 方案二 單片機(jī)根據(jù)輸入的參數(shù) ， 控制多路模擬開(kāi)關(guān) CD4051 對(duì)小信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大 ， DDS 產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖控制開(kāi)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 。 方案二 為了易于實(shí)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。用兩級(jí) AD603 增益可控放大器完成信號(hào)放大功能。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。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，每隔一定的周期就必須清除 WatchDog 計(jì)數(shù)器。 GND —— 模擬地。 圖 34是 MAX262的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 。 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(jì)算機(jī)實(shí)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(shí)現(xiàn) 將 MAX262 設(shè)置為工作方式 1，實(shí)現(xiàn)巴特沃茲二階低通 濾波器，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部濾波器 A，圖 23 的測(cè)試點(diǎn) C 即是巴特沃茲二階低通濾波器的輸出端。 （ 4） 時(shí)鐘頻率與中心頻率比值 (fclk/f0)可達(dá)到 1%(A 級(jí) )。 BPA、 BPB —— 帶通濾波器輸出端。其中，設(shè)置為工作方式 1 時(shí)，實(shí)現(xiàn)題目中 巴特沃茲 低通濾波器 和 高通濾波器的要求。系統(tǒng)預(yù)設(shè)的 PLL 振蕩頻率為 。因此，以 μ?nSP?為核心的 SPCE061A 微控制器是適用于數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種非常經(jīng)濟(jì)的選擇。此外 ， 由于采用多級(jí)放大 ，電路穩(wěn)定性差 ， 容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。 SPCE061A 是繼 μ?nSP?系列產(chǎn)品 SPCE500A等之后凌陽(yáng)科技推出的又一款 16位的微控制器。通過(guò) 單片機(jī) 軟件設(shè)計(jì)可以精確的控制 各種 濾波器的傳遞函數(shù)。 (5) 放大器的電壓增益為 60dB，輸入信號(hào)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%。 （ 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(shí)間選擇（例如PCM 制中的話路信號(hào)）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。 在信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍不寬的場(chǎng)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(hào)頻率的動(dòng)態(tài)范圍往往很寬，如在系統(tǒng)頻率響應(yīng)的微機(jī)自動(dòng)測(cè)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(cè)試以及其他信號(hào)采集 測(cè)量場(chǎng)合，其信號(hào)頻率在幾赫茲到幾千赫茲之間不等。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來(lái)為各國(guó)所重視。因此，我們不必苛求這種 “精確 ”分類，只是讓人們了解濾波器的大體類型，有個(gè)總體概 念就行了。 (4) 有設(shè)置參數(shù)功能。 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 和 實(shí)時(shí)語(yǔ)音播報(bào)等。 方案三 采用 了凌陽(yáng) 16 位單片機(jī) SPCE061A 作為控制芯片。 增益放大模塊方案比較及選擇 方案一 本方案由于大量采用分立元件 ， 如 電容、 三極管等 ， 電路比較復(fù)雜 ，工作點(diǎn)難于調(diào)整 ， 尤其增益的定量調(diào)節(jié)非常困難。較 高的處理速度使 μ?nSP?能非常容易、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。 鎖相環(huán)外圍電路 （ PL） ： PLL 鎖相環(huán)的作用是將系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)時(shí)鐘基頻 (32768Hz)進(jìn)行倍頻，調(diào)整至 、 、 、 或 。 基于 MAX262的程控濾波器設(shè)計(jì) 程控濾波器部分采用 MAX262 專用芯片，通過(guò)設(shè)置 MAX262 的工作方式，實(shí)現(xiàn)不同的濾波要求。 INA、 INB —— 濾波器的信號(hào)輸入端。 （ 3） 對(duì)中心頻率， f0和品質(zhì)因數(shù) Q 可獨(dú)立編程 ?？梢院芎玫脤?shí)現(xiàn)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， 2fC 處放大器與濾波器的總電壓增益不大于 30dB， RL =1kΩ。 MAX262由 2個(gè)二階濾波器 (A和 B兩部分 )、2 個(gè)可編程 ROM 及邏輯接口組成。 CLKA —— 外接晶體振蕩器和濾波器 A 部分的時(shí)鐘輸入端，在濾波器內(nèi)部，時(shí)鐘頻率被 2 分頻。如果在限定的時(shí)間內(nèi)， WatchDog 計(jì)數(shù)器沒(méi)有被清除， CPU 就會(huì)認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法正常工作，將會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位 (reset)。 晶振輸入模塊（ OSC） ： μ?nSP?的時(shí)鐘電路是采用晶體振蕩電路。用 MAX262 專用程控濾波器芯片，通過(guò) 軟件 設(shè)置不同的工作模式，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。又考慮到 AD7520 是一種廉價(jià)型的 10 位 D/A轉(zhuǎn)換芯片 ， 其輸出 Vout=DnV/210， 其中 Dn為 10 位數(shù)字量輸入的二進(jìn)制值 ， 可滿足 210=1024 擋增益調(diào)節(jié) ,滿足題目的精度要求。由于選用了開(kāi)關(guān)電容濾波器和直接數(shù)字頻率合成技術(shù) ， 設(shè)計(jì)的程控濾波性能優(yōu)越 ， 電路簡(jiǎn)單 ， 可靠性高。 本 方案主要由信號(hào)放大模塊 、濾波 模塊 、時(shí)鐘 模塊 、單片機(jī)控制 模塊 和液晶顯示 模塊 等 部分 組成。 (3) 要求濾波器的 截止頻率、 Q 值和 通帶等參數(shù)可設(shè)置。 濾波器的分類 濾波器有各種不同的分類，一般有如下幾種 ： （ 1）按處理信號(hào)類型分類 按處理信號(hào)類型分類，可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。在該系統(tǒng)采用 AD603與 MAX262 相結(jié)合的方式，通過(guò)濾波器的軟件設(shè)計(jì)可以用鍵盤(pán)設(shè)置不同的工作模式 ， 分別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，濾波器的通帶、截止頻率等參數(shù) 也 可通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置。 國(guó)內(nèi)外濾波器的研究狀況 1917 年美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家分別發(fā)明了 LC 濾波器，次年導(dǎo)致了美國(guó)第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的就是這類程控濾波器。方案設(shè)計(jì)部分將 確定的最佳 方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并給出具體 的 方案設(shè)計(jì)流程圖。在掉電方式下，片內(nèi)振蕩器停止工作?？赏ㄟ^(guò)自身帶的 D/A 轉(zhuǎn)換來(lái)控制 系統(tǒng)的 信號(hào)增益。能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 (2) 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 (可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值 )； 2 個(gè) 10 位DAC (數(shù)模轉(zhuǎn)換 )輸出通道； 32位通用可編程輸入 /輸出端口；具備鍵喚醒功能； 14 個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器 A/B、 2 個(gè)外部時(shí)鐘源輸入和鍵喚醒。 SPCE061A 復(fù)位電路如圖 34 所示，在復(fù)位端加上一個(gè)低電平就可令其復(fù)位。這兩個(gè)有源濾波器既可獨(dú)立使用也可串聯(lián)使用。接 V+時(shí)，輸人數(shù)據(jù)不起作用；接 V時(shí)，數(shù)據(jù)可通過(guò)邏輯接口進(jìn)入一個(gè)可編程的內(nèi)存之中，以完成濾波器的工作模式、 f0及 Q的設(shè)置。 圖 35 控制數(shù)據(jù)輸入時(shí)序 程控濾波器硬件電路設(shè)計(jì) 如圖 36 所示，是 基于 MAX262 的濾波電路圖。本設(shè)計(jì) 采用外加時(shí)鐘的方法， 再用繼電器分頻來(lái)產(chǎn)生所需的時(shí)鐘頻率， 以滿足步進(jìn) 1KHz的要求。 A0、 A A A3 —— 地址輸人端，可用來(lái)完成對(duì)濾波 器工作模式、 f0和Q 的相應(yīng)設(shè)置。它采用 CMOS 工藝制造，在不需外部元件的情況下就可以構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波和全通濾波器。 當(dāng)電源電壓低于 ，系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定且容易出錯(cuò)。 (4) 可通過(guò) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；帶有 32768Hz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘；具有 7 通道、 10 位電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器和聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置傳聲器放大器和自動(dòng)增益控制 (AGC)功能。 經(jīng)過(guò)上述比較，在控制模塊中方案三比方案一及方案二更優(yōu)， 操作簡(jiǎn)單、方便，性能可靠，工作穩(wěn)定，方案三是一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。因此，當(dāng)想在原功能上擴(kuò)展語(yǔ)音等功能時(shí) SPCE061A 無(wú)疑是個(gè)很好的選擇。該電路由芯片 AT89C52 的 P1 口來(lái)控制，由單片機(jī)的 ～ 口及 將數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)器 54HC373 存起來(lái)，再送入 MAX262。每個(gè)模塊共有三個(gè)方案，通過(guò)各方案的比較選取最佳方案。其原理框圖如圖 1。自 60 年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為 70 年代以后的主攻方向。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(kāi)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。 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(kāi)發(fā) 和研制。 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) 。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。另外對(duì)于要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)