【導(dǎo)讀】基于單片機(jī)程控濾波器設(shè)計(jì)

　　

【正文】 大輸出 ) 11111111 10 60dB(兩級(jí)別放大輸出 ) 表 增益步進(jìn)關(guān)系 由表 1可知，根據(jù)增益步進(jìn)要求，單片機(jī)每給出一個(gè)數(shù)字量，經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換，輸出對(duì)應(yīng)模擬量，較好地 實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)可調(diào)。 (3) 通頻帶的計(jì)算 在輸入信號(hào)頻率較低或較高時(shí)，放大倍數(shù)的數(shù)值會(huì)下降并產(chǎn)生相移，題目要求通頻帶為 100 Hz～ 40 kHz[12]。 上限截止頻率：21111 .1H nk Lkff?? ? (32) 下限截止頻率 ： 21 nL H kkff?? ? (33) 放大電路采用三級(jí)相同頻率特性的電路，根據(jù)給出的通頻帶可以算出每級(jí)的上、下截止頻率， Hf ? kHz， Lf = Hz。通頻帶 BW = Hf Lf ≈ Hf ，根據(jù)增益帶寬乘積 GB=ABW，可得 GB= MHz，因此應(yīng)當(dāng)選擇 ≥ MHz范圍的放大器， ? A741GB= MHz，故選用 ? A741[7]。 低通、高通濾波電路參數(shù) 根據(jù)電路的性質(zhì)和仿真的結(jié)果，得到對(duì)應(yīng)的低通和高通濾波器參數(shù)如表 、 22 表 。 截止頻率 /kHz X9312 輸出阻值 /? 截止頻率 /kHz X9312 輸出阻值 /? 1 646 11 5191 2 1252 12 5494 3 1858 13 5797 4 2464 14 6201 5 2969 15 6706 6 3373 16 7009 7 3777 17 7514 8 4181 18 8120 9 4585 19 8827 10 4888 20 9786 表 低通濾波參數(shù) 截止頻率 /kHz X9312 輸出阻值 /? 截止頻率 /kHz X9312 輸出阻值 /? 1 10000 11 1858 2 8322 12 1757 3 5898 13 1656 4 4585 14 1555 5 3878 15 1454 6 3272 16 1353 7 2767 17 1252 8 2262 18 1151 9 4585 19 1050 10 2060 20 949 表 高通濾波參數(shù) 表 、表 應(yīng)關(guān)系。 23 第 4 章 電路與程序設(shè)計(jì) 程控放大器的設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)放大器電壓增益 40 dB，且 10 dB步進(jìn)可調(diào)，通頻帶為 100 Hz～ 40 kHz， 因此可以把電路分成兩部分：一部分為由單片 機(jī)控制的可變輸出，另一部分為 多 級(jí)放大。 單片機(jī)控制電路 電路主要由 AT89S52單片機(jī)、 8位 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和集成運(yùn)放 LM324組成。工作原理是：首先， DAC0832將此模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的 處理在將輸出的數(shù)字量送給 DAC0832，通過(guò) LM324輸 出。電路見(jiàn)圖[6] 。 V5? 2R2C F?22 1R ?K1 1121348736514215 282732291016173011242221232625353634373833393119189V5?CC F?20F?20XMHz2 VPEA /1X 2XRESET 0INT 1INT0T 1T RX DT XD PAL E /P SE N76513141516123 981920201210171810D 11D14D 16D 13D 17D 1512CS1WRAGN D5289 SAT0 8 3 2D ACIL ECCV re fRfb1Io ut 2Io utDG N DXf er2WRV5?IN PU TOUTP UT114 423??1 V15?V15? 324LM? ?????? ?圖 程控電路 24 放大電路 放大電路采用不同參數(shù)的集成運(yùn)放的組合，每級(jí)使用的集成運(yùn)放分別為OP0“ ? A74 OP07。 其框圖如圖 3所示。每級(jí)運(yùn)放均采用 10倍反相比例放大，滿足最大增益 60 dB的要求，可使通頻帶 ≥100 Hz～ 40 kHz。 運(yùn) 行 1O P 0 7運(yùn) 行 2μ A 7 4 1運(yùn) 行 3O P 0 71u 0u 圖 放大電路框圖 濾波器電路的設(shè)計(jì) 數(shù)字電位器控制電路 數(shù)字電位器的時(shí)序圖 [10]見(jiàn)圖 ? ?? ?? ?? ?1ctc r cttltthtc p httctdt11dttwtMI)8(F H D3 8 6 5%90 %90%10CSc p htINCDU /WVft rt圖 數(shù)字電位器時(shí)序圖 數(shù)字電位器芯片 X9312與單片機(jī) 采用串行通信。輸出 out out2接到濾波電路中，電路見(jiàn) 圖 。 25 單 片 機(jī)8 9 S 5 2 X 9 3 1 2CIN DU /VHV SSCCVVLVW1 234 5678V5 TX D 1out 2outCS? 圖 數(shù)字電位器控制電路 . 低通濾波電路 選用二階貝賽爾低通濾波電路，見(jiàn)圖 。 2V3V 2Cln931 2X ~646??1U 2U? ?? ?3U47in put 07?OP 07?OP07?OP23 34 47 76 6 6o u tp u tln3C2R ?K10 ?K104R?K103R ?K105R?K10 6R?? ??? ????? ? ? ? 圖 低通濾波電路 電路由三級(jí)運(yùn)放組成，第一級(jí)采用數(shù)字電位器用以調(diào)整截止頻率。 根據(jù)電路參數(shù)仿真結(jié)果如圖 、 ?？梢?jiàn)較好的實(shí)現(xiàn)了低通截止頻率 1～20kHz的要求。 26 H z01 H z001 H K1 H z0K1 H z00K1 H H)( OU TV F r e q u e n c y???? 圖 低通 （ 0f =1kHz） H z01 H z001 H K1 H z0K1 H z00K1 H H)1:16( RV F r e q u e n c yV0. 4?? ??? ? 圖 低通 （ 0f =20KHz） 高通濾波電路 高通濾波選用二階壓控濾波電路，見(jiàn)圖 數(shù) 字 電 位 器二 階 有 源 壓 控 高 通 濾 波1u 0u 圖 高通濾波電路框圖 運(yùn)放采用 LF353/NS,數(shù)字電位器調(diào)整其截止頻率 [9]。 27 電路仿真結(jié)果如圖 、 ，滿足高通截止頻率 1～ 20kHz的要求。 H z01 H z001 H K1 H z0K1 H z00K1 H H)2:3( RV F r e q u e n c yV0. 4 ??????? 圖 高通 （ 0f =1kHz） .21 H z01 H z001 H K1 H z0K1 H z00K1 H H)2:3( RV F r e q u e n c yV0. 4 ??????z0M1 H 圖 高通 （ 0f =20kHz） 四階橢圓低通濾波電路 四階橢圓低通濾波器相當(dāng)于兩級(jí)二階低通濾波電路的組合，框圖見(jiàn)圖 。其傳遞函數(shù)為 : ? ? ? ? ? ?? ? ? ?22220 . 0 1 2 1 . 2 9 1 4 . 3 50 . 7 9 8 5 0 . 0 5 6 7 0 . 1 0 9 1 . 0 1u ssAs s s s s??? ? ? ? ? （ 4 ） 二 階 貝 塞 爾 低 通 濾 波 二 階 貝 塞 爾 低 通 濾 波 圖 四階橢圓低通濾波電路框圖 28 根據(jù)電路其仿真結(jié)果見(jiàn)圖 H z01 H z001 H K1 H z0K1 H z00K1 H H)1:16( RV F r e q u e n c yV0. 4 z0M1 H z00M1 H?? ???? ??圖 地接橢圓低通濾波 從各濾波的仿真來(lái)看，較好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求。 LCD 顯示的設(shè)計(jì) 通過(guò)單片機(jī)控制顯示，根據(jù)輸入設(shè)定不同的模式，顯示不同內(nèi)容，能夠顯示增益、低通濾波電路的截止頻率、高通濾波截止頻率 [10]。顯示內(nèi)容見(jiàn)表 。 增益 ? ? dB 低通濾波電路的截止頻率 Low pass ? ? kHz 高通濾波截止頻率 High pass ? ? kHz 表 LCD 顯示 LCD顯示器與單片機(jī)的電路見(jiàn)圖 。 80 51 ~V S SDD0RS WR /E7~0 DBDBL E DL E D模塊8 ?? 圖 LCD顯示 29 軟件的設(shè)計(jì) AT89S52單片機(jī)是整個(gè)電路的控制核心，其主程序流程如圖 。 開(kāi) 始系 統(tǒng) 初 始 化屏 幕 顯 示 子 程 序掃 描 鍵 盤(pán)有 鍵 按 下去 抖 、 掃 描 鍵 值增 益 加 增 益 減 頻 率 增 頻 率 減放 大 倍 數(shù) 改 變 子程 序截 止 頻 率 改 變 子程 序結(jié) 束YN 圖 主程序流程圖 30 第 5 章 測(cè)試 分析以及結(jié)果總結(jié) 放大電路的測(cè)試 靜態(tài)測(cè)試 測(cè)試負(fù)載為 1k? 靜態(tài) 時(shí)輸入直流電壓為 10mV,測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)如表 所示。 理論值 二級(jí)輸出為 1V,三級(jí)輸出為 10V 測(cè)試值 二級(jí)輸出為 ,三級(jí)輸出為 表 靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù) 動(dòng)態(tài)測(cè)試 輸入幅值 為 10mV的正弦信號(hào)，用 HM1004示波器觀察輸出信號(hào)。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表 理論數(shù)據(jù) 二級(jí)輸出為正向、幅值為 1V的正弦信號(hào)，通過(guò)頻帶為 。 三級(jí)輸出為反相、幅值為 10V的正弦信號(hào) 測(cè)量值 二級(jí)輸出為正向、幅值為 ，通頻帶為 。 三級(jí)輸出為反向、幅值為 表 動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù) 將測(cè)試值與理論值進(jìn)行比較可知，通頻帶相對(duì)誤差 ％ ，幅值相對(duì)誤差％，滿足設(shè)計(jì)誤差小于 5％ 的要求。 濾波電路的測(cè)試 測(cè)試負(fù)載為 1k? ,測(cè)試結(jié)果如表 。 31 X9312輸出 電阻值 /? 理論值 /kHz 測(cè)量值 /kHz X9312輸出 電阻值 /? 理論值 /kHz 測(cè)量值 /kHz 646 1 1000 1 4585 9 3878 5 7009 3 1656 13 9736 20 1050 20 表 濾波電路測(cè)試數(shù)據(jù) 由測(cè)試結(jié)果可知，截止頻率的變化范圍基本能夠滿足要求的范圍，調(diào)節(jié)步進(jìn)程度基本實(shí)現(xiàn)步進(jìn)為 1kHz，通過(guò)儀器的觀察，低通 2 cf 處、高通 cf 處放大器與濾波器的 總電壓增益在 27dB左右。 結(jié)果分析 本設(shè)計(jì)利用 AT89S52單片機(jī)作為控制核心，采用數(shù)字電位器實(shí) 現(xiàn)增益調(diào)整，使增益步進(jìn)達(dá)到了較好的效果。顯示部分采用液晶顯示器，比較直觀、清晰。系統(tǒng)經(jīng)組裝調(diào)試，濾波器的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，但濾波器的帶外衰減特性還需要提高。 32 第 6 章 結(jié) 論 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于 AT89S52的程控濾波器設(shè)計(jì)方案，通過(guò)可控 增益放大器、程控濾波器、橢圓濾波器和幅頻特性測(cè)試等模塊，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo) 。 放大電路采用由單片機(jī) AT89S5 DAC0832和集成運(yùn)放組成的程控放大電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器增益的設(shè)置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)增益的步進(jìn)可調(diào)，增益變化范圍 為 0～60 dB；顯示部 分采用 OCM216字符點(diǎn)陣系列模塊，以實(shí)現(xiàn)設(shè)置參數(shù)顯示功能；低通選用 濾波器選用貝賽爾濾波電路，濾波性能和時(shí)延性好，且沒(méi)有上沖 。 高通采用壓控二階高通濾波電路，選用 x9312數(shù)字電位器來(lái)控制截止頻率， 0f 在 1～ 20 kHz可調(diào) 。 數(shù)字電位器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成電阻量，采用單片機(jī)控制可實(shí)現(xiàn)輸出不同的阻值，從而改變?yōu)V波電路的截止頻率。 測(cè)試結(jié)果可用 LCD 顯示，系統(tǒng)性能良好。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可較好地實(shí)現(xiàn)濾波器的控制，使用方便，具有較高的性價(jià)比，實(shí)用性和使用價(jià)值。 通過(guò)本課題 的具體設(shè)計(jì)，我們對(duì)程控濾波器的整體設(shè)計(jì)原理及所要用到的各類芯片有了一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和掌握，受益匪淺。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題的不足，比如在方案論證方面。對(duì)于多個(gè)可實(shí)現(xiàn)同一功能的方案，猶豫不決。通過(guò)查閱大量資料及老師的輔導(dǎo)，最終選擇了最易實(shí)現(xiàn)的方案。 33 致 謝 寒暑易節(jié)，光陰如