【文章內(nèi)容簡介】 器設計周期也較長。相同的性能指標如用開關電容型濾波器來實現(xiàn)就要簡單得多。我們只需在眾多的開關電容型濾波器芯片中選擇合適的一種，并加上適當?shù)臅r鐘頻率即可 。 許多新近面世的通用性好的開關電容型濾波器 芯片可用程序控制， 濾波器特性的改變可在瞬間完成。 集成開關電容型濾波器電路的類型和功能 簡介 近年來隨著開關電容型濾波器市場需求的增加，生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品品種日益增多。目前市場上開關電容 型濾波器產(chǎn)品品種繁多，并不斷有新的產(chǎn)品問世。如果從使用的角度大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 8 對開關電容型濾波器產(chǎn)品進行劃分的話，一般的開關電容型濾波器可分成專用濾波器和通用濾波器兩大類。 1．專用開關電容型濾波器 在許多專用集成電路中，開關電容型濾波器只是其中的一部分，用戶并不能直接使用；另外的一些開關電容型濾波器 芯 片是針對某一特定的應用領域而專門設計的，用戶一般不能對此類專用開關電容型濾波器 的特性重新設置， 此類濾波器在通訊中應用廣泛。 2．通用開關電容型濾波器 與專用型開關電容型濾波器相比，通用型開關電容型濾波器能侈適應用戶對濾波器特性 的特定要求。用戶可用一定的方法來改變開關電容型濾波器的參數(shù)從而使開關電容型濾波器 能滿足一定的指標要求， 選用不同的參數(shù)可得到不同的濾波特性。通用型開關電容型濾波器可進一步分為兩類，預構型開關電容型濾波器和多用型開關電容型濾波器。 (1)預構型開關電容型濾波器 每一類預構型開關電容型濾波器實現(xiàn)一種專門類型 (巴特沃斯低通、切比雪夫高通等 )的濾波器。在通用型開關電容型濾波器中，預構型開關電容型濾波器的使用最為方便。 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置濾波器的轉折頻率。預構型開關電容型濾波器的一 個典型 例 子是 Exar 公司的 XR— 1001/8 系列產(chǎn)品。這類產(chǎn)品都是 8 個引腳，分別提供四階巴特沃斯低通、橢圓函數(shù)低通和切比雪夫低通濾波。濾波器最大的截止頻率可達 40kHz。時鐘頻率與轉折頻率之比固定為 50： 1 或 100： 1。片內(nèi)有振蕩器，因此用戶既可選擇外時鐘也可選擇內(nèi)時鐘來設置截止頻率。 National Semiconductor 公司的 LMF90 提供一個衰減為 30dB 的陷波濾波器。時鐘和轉折頻率之比為 50： 1 或 100： l。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。 (2)多用型開關電 容型濾波器 預構型開關電容型濾波器 只能完成一種類型的濾波形式， 因此通用性不強。而多用型開關電容型濾波器芯片可實現(xiàn)各種類型的濾波形式。也即說，同一塊芯片可用來實現(xiàn)巴特沃斯、切比雪夫或橢圓函數(shù)濾波，濾波方式可設計為低通、高通、帶通等。這樣的開關電容型濾波器顯然具有很大的靈活性。按照濾波理論，任意的濾波頻響特性可由多個二階節(jié)的串聯(lián)或并聯(lián)來組成。所以二階節(jié)是濾波器中的基本單元。多用型開關電容型濾波器包含了二階節(jié)的有源部分。一般每個芯片包含一個或數(shù)個二階節(jié)。多個二階節(jié)串聯(lián)起來就組成了高階濾波器。多用型開關電容型濾波器 從 常見 編程的類型來分可分為：電阻可編程、引腳可編程 兩種 (目前另一種新型 處理器可編程開關電容型濾波器 即將登陸國內(nèi)市場 )： ○ 1 電阻編程開關電容型濾波器 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 9 電阻編程開關電容型濾波器包含了二階節(jié)的有源部分。用戶需要在合適的引腳上加反饋電阻以提供合適的反饋通道。在所有開關電容型濾波器中電阻編程開關電容型濾波器提供了最大的靈活性。改變這類開關電容型濾波器中反饋電阻的數(shù)值，濾波器 中心 頻率 0f 和 Q 值都可得到精密控制，同時也控制了濾波器頻響特性的類型 (切比雪夫、巴特沃斯等 )。除了提供 50： 1 和 100： l 的標稱時鐘截止頻率比以外，用戶可通過改變 反饋電阻以獲得需要的頻率比。每個二階節(jié)都有低通、高通、帶通、帶阻 和全通輸出端，用戶可根據(jù)需要選擇一端作為輸出。但是這類器件要獲得特定的頻率特性，反饋電阻的數(shù)值計算比較復雜。而一般一個二階濾波器 需三到六個反饋電阻。所以組成高階濾波器時需接多個反饋電阻。 ○ 2 引腳編程開關電容型濾波器 電阻可編程開關電容型濾波器過去一直是開關電容型濾波器 市場的主流產(chǎn)品。直到美國 Maxim公司的 Max260 系列的引腳或處理器可編程開關電容型濾波器面世，這一局面才被打破。電阻編程開關電容型濾波器雖然靈活性強，但不易使用引腳編程開關電容型濾波器和下面的處理器編程開關電容型濾波器是靈活性和使用方便性的折衷。這兩類產(chǎn)品以開關電容替代了原來所需的外接反饋電阻。在芯片內(nèi)開關電容排列成一排，因此用數(shù)字控制的方法可改變開關 電容的并聯(lián)數(shù)目，從而改變等效的反饋電阻值，以改變?yōu)V波器頻率特性， 但是控制精度受到了芯片提供的控制位數(shù)目的限制。 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 10 第三 章 程控濾波器總設計方案論證 程控濾波器 設計總體思路介紹 針對濾波器的程控方案設計大致有如下幾種設計方案可以考慮。 ○ 1 方案一：使用設計模擬有源濾波器的方法并輔以可程控數(shù)字電位器達到程控的目的。具體方案如下： 利用設計模擬有源濾波器的方法，設計一系列所需濾波器以滿足需求，并通過利用可程控數(shù)字電位器代替?zhèn)鹘y(tǒng)定值電阻器。利用 MCU 控制數(shù)字電位器，從而改變模擬有源濾波器的性能指標，達到相應程控濾波的目的。 該方案的特點是成本低廉，實現(xiàn)起來比較簡單，而且模擬濾波器設計相對成熟，易于設計實現(xiàn)。但是數(shù)字電位器精度 不是很高而且相對誤差不固定，有源濾波器的濾波參數(shù)與待調(diào)數(shù)字電位器的阻值往往不是呈線性關系，因此會給系統(tǒng)帶來較大的誤差。 ○ 2 方案二：使用 FPGA 設計數(shù)字 FIR 濾波器，再由 D/A 輸出為模擬信號。具體方案如下： 利用數(shù)字濾波器的設計思路，首先使用 A/D 對輸入信號進行數(shù)字化，再經(jīng)由FPGA 進行 FFT 變換、 FIR 濾波，最后由 D/A 輸出模擬信號，需要時輸出級輔以 RC平滑濾波。 該方案不僅具有很高的精度，而且濾波器參數(shù)設計極為靈活 ， 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。但是整套設計 成本太過昂貴 ， 且實現(xiàn)較為復雜 ，對硬件知識以及軟件編程要求較高。 ○ 3 方案三：使用專門的集成開關電容型濾波器應用于所需的設計中。具體方案如下： 利用開關電容原理制成的集成 濾波器芯片，可由外部振蕩器控制開關 電容的頻率達到改變?yōu)V波參數(shù)的目的?？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 整套設計 成本低廉 ， 電路 相對 簡單且使用集成芯片，因此性能穩(wěn)定 .且具有較 高精度，濾波參數(shù)調(diào)節(jié)通過 MCU 控制，較為方便。 通過如上的幾 組設計 比較 可以得出使用專用的集成開關電容型濾波器來設計程控濾波器較為理想，可實現(xiàn)達到所需精度下的快速開發(fā)的特點，故本課題采用方案三，如下將對方案三具體設計做如下論證。 基于 MAX262 的程控濾波器設計方案 論證 本課題由電源模塊、 MCU 控制器模塊、顯示模塊、鍵盤控制模塊、時鐘產(chǎn)生模塊 、程控濾波器模塊 組成 ，具體關系詳見下圖 31 所示。 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 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計方案 。 時鐘產(chǎn)生模塊 的論證與選擇 實際 時鐘產(chǎn)生模塊 需要 產(chǎn)生 相應 10Hz14MHz 按 相應步 進 加減 可調(diào)時鐘 按 (或固定時鐘 信號 )，以配合 MAX262 正常工作 ；對于時鐘信號的產(chǎn)生，可選方案如下： 方案一：測試方案，即選擇外置信號 發(fā)生器接入，此方案僅限于 濾波模塊測試使用， 具體設計如下 圖 32 所示 ： 圖 32 MAX262 濾波 器 模塊測試 圖 值得注意的是輸入信號為 TTL 電平的時鐘信號 (占空比是否為 50%并不重要 )。 方案二： 產(chǎn)生 固定 時鐘 方案，具體設計如下： (1)使用固定晶振方案，即 使用 輸入允許頻率范圍內(nèi)的有源晶體振蕩器， 具體設計如下 圖 33 所示 ： 圖 33 MAX262 濾波 器模塊接入時鐘使 用 固定晶振方案 圖 利用 MAX262 片內(nèi)整形起振電路，即可使接入有源晶體振蕩器產(chǎn)生所需的時鐘 ，此種方案使用方法相對簡單，成本較低，但接入頻率固定，有源晶體振蕩器較 RC 元大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 12 器件誤差較小，產(chǎn)生頻率相對穩(wěn)定。 (2)使用振 蕩 RC 網(wǎng)絡 方案 ， 具體設計如下 圖 34 所示 ： 圖 34 MAX262 濾波 器模塊接入時鐘使用 RC 振蕩網(wǎng)絡 方案 圖 利用 MAX262 片內(nèi)整形起振電路，即接入 RC 振蕩網(wǎng)絡產(chǎn)生所需的時鐘 ， 此種方案使用方法教簡單，成本最較低，但接入頻率固定，而且 RC 元器件有誤差，產(chǎn)生頻率不穩(wěn)定。 方案三： 產(chǎn)生 可調(diào) 時鐘 方案，具體設計如下： (1)使用 以 DDS 模塊 AD9850 產(chǎn)生相應所需頻率可調(diào)正弦波 ， 輔以整形電路產(chǎn)生相應時鐘即可 。 (2)使用 FPGA 對其固有時鐘進行可編程分頻 ， 產(chǎn)生所需時鐘 。 綜上所述，時鐘模塊選用方案三，兼顧成本與實際需求，故 采用 方案三 (1)，即采用 DDS 集成芯片 AD9850 輔以相應整形電路 產(chǎn)生 步進可調(diào) 時鐘。 AD9850 模塊使用 40M 有源晶體振蕩器充當起振時鐘， 在此條件下 DDS 模塊理論可產(chǎn)生正弦波最大不失真頻率為 20MHz(參照 AD9850 模塊 部分 )， 故可 滿足實際設計要求。 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。 (1)使用 8051 架構 MCU 控制時，選用 177。 5V 雙電源供電 。 (2)使用 FPGA 的 NIOSII32 位 控制時，選用 177。 雙電源供電。 綜上所述， 選擇 程控濾波器模塊 的供電模式與具體選擇 MCU 類型有關 ，滿足實際設計要求 即可，本方案采用 8051 架構 MCU，故選用 177。 5V 雙電源方式給 程控濾波器模塊 供電 。 鍵盤模塊 的論證與選擇 實 際 鍵盤模塊 需要為 程控濾波器模塊 提供兩 位 加 /減步進頻率按鍵，以配合MAX262 濾波中心頻率 0f 調(diào)整 ；對于 鍵盤模塊 設計 ，可選方案如下： 方案一： 由 4*4 矩陣鍵盤組成鍵盤模塊。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。 方案二： 由 2 位獨立鍵盤組成鍵盤模塊。此種方案占用 2 位 I/O 口 ， 資源占用較大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 13 為合適，并使用低有效的方式接入，性能穩(wěn)定，完全可以滿足設計要求。結合實際設計要求，從簡化系統(tǒng)電路連接的角度看較為實用。 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 1 位 I/O，最為節(jié)省 I/O 口 ,但頻繁調(diào)用 MCU 的 ADC 模塊，使用 MCU 處理負擔增加，并增加編程負擔 (移植性不好 )，削弱系統(tǒng)穩(wěn)定性。 綜上所述，鍵盤模塊選用方案二，即使用 2 位獨立鍵盤組成鍵盤模塊。 MCU控制模塊 的論證與選擇 實際 MCU 控制模塊 需要足夠 I/O 口，以協(xié)調(diào)其他模塊的間的通信 ；對于 MCU控制模塊 設計 ，可選方案如下： 方案一： 選用 51 架構 MCU 組成 MCU 控制模塊。此種方案利用 8 位 MCU，結合實際設計要求，從簡化系統(tǒng)電路及成本的角度看較為實用。 方案二： 選用 DSP 組成 MCU 控制模塊。此種方案性能穩(wěn)定，但性價比較低。 方案 三 ： 選用 FPGA(NIOS2 軟核 )組成 MCU 控制模塊。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)，但設計較為復雜，故不采用。 綜上所 述， 考 慮開 發(fā)時間 和成 本 控制 模塊 選用方 案一 ，即使 用 8 位STC12C5A60S2 系列 MCU。 顯示模塊 的論證與 選擇 實際 顯示模塊 需要實現(xiàn)美觀的人機交互模式，使用 I/O 口數(shù)量 ；對于 顯示模塊 設計 ，可選方案如下： 方案一： 選用 LCD1602 組成顯示模塊。此種方案利用 LCD1602 液晶顯示器，只有并行接入方式其占用 I/O 口較多，且不能顯示漢字點陣字模， 成本較為適中，但顯示區(qū)域較小只為 16 行 2 列，每個字符大小為 58 像素，沒有繪圖模式，顯示不靈活 。 方案二： 選用 LCD12864 組成顯示模塊。此種方案利用 LCD12864 液晶顯示器的串行接法， I/O 口資源占用較為合適，最小使用 2 位 I/O 口 (SPI 模式 )，性能穩(wěn)定，完全可以滿足 設計顯示漢字字模的要求，并可以開啟繪圖模式，支持自定義字符 ，從簡化系統(tǒng)電路連接的角度看較為實用。