【導讀】題目基于MAX262的程控濾波器設計。學生姓名李偉專業(yè)班級電子信息工程08-1班。所在院系電氣信息學院。指導教師宗靜靜職稱講師。所在單位大連交通大學。教研室主任賈世杰。完成日期2021年6月16日。本設計由電源模塊、MCU控制器模塊、顯示模塊、鍵盤控制模塊、時鐘產(chǎn)生模塊、AD9850芯片產(chǎn)生的頻率可調(diào)的正弦波，將產(chǎn)生正弦波的經(jīng)由高速比較器模塊的整。形后充當步進時鐘提供給程控濾波器模塊，MCU并輔以發(fā)送的程序狀態(tài)字于程控濾波。器模塊達到控制濾波器工作模式及相應濾波性能指標，最終實現(xiàn)預期濾波效果。本課題正是針對目前傳統(tǒng)濾波器相應濾波性能指標相對固定、精度相對低等不足提。出的，輔以開關電容濾波器的設計理念，兼顧數(shù)字化的控制過程，能夠減少使用過程中。的不確定因素和人為參與硬件設計的環(huán)節(jié)數(shù)目，有效地解決相應模塊中諸如可靠性、智。能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護性，具有一定可借

　　

【正文】 性的同時，寫入濾波器數(shù)據(jù)端和地址端的信號也會產(chǎn)生相應的噪聲，故相應信號線可以用鎖存器緩大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 21 沖相應寫入信號的突變改善濾波效果， 實際電路原理圖如下圖 49 所示： 圖 49 程控濾波器模塊 鎖存器緩沖 模塊原理圖 濾波器系統(tǒng)另一個必須考慮的問題就是開關電容型濾波器濾波特性比較偏向數(shù)字濾波器，即輸出波形為臺階狀的信號，并且輸出波形的階梯狀以內(nèi)部采樣速率出現(xiàn)，消除此現(xiàn)象可使用一級單級點 RC 平滑濾波器 ( 04f 處 )消除，實際電路原理圖如下圖410 所 示： 圖 410 程控濾波器模塊 鎖存器緩沖 模塊原理圖 當設計多級濾波器時，要使輸出噪聲較低應將具有高 Q 值的濾波系統(tǒng)放在第 一級。 電源模塊 設計與實現(xiàn) 電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供 ? 5V，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓集成芯片實現(xiàn)，故不作詳述。 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 22 第 五 章 系統(tǒng)軟件 設計與實現(xiàn) 系統(tǒng) 功能描述 本設計的軟件 控濾波模塊 部分主要包括獨立鍵盤模塊、顯示模塊、 時鐘產(chǎn)生 模塊 、程控濾波模塊 。 1)UI 界面模塊 包括：鍵盤控制模塊與 顯示模塊 。 獨立鍵盤模塊 實現(xiàn)功能：實現(xiàn) 時鐘產(chǎn)生 模塊的 時鐘 頻率 加減步 進 控制功能 ， 可分別獨立實現(xiàn)頻率加減步進。 顯示模塊實現(xiàn)功能：使用 12864 分辨率顯示器實現(xiàn) 良好的用戶界面； 系統(tǒng)初始化同時 顯示了本次課程設計的題目以及設計作者； 當進入濾波器 用戶界面 時 ，即 可 顯示當前的產(chǎn)生的 中心頻率值與輸入時鐘頻率值，并可步進實時觀察步進頻率時二者的變化 。 2)時鐘產(chǎn)生 模塊實現(xiàn)功能：使用 AD9850 實現(xiàn)，由 MCU 發(fā)送 40 位可程控頻率字FTW 控制 AD9850，產(chǎn)生所需正弦波波形頻率與相位 ，輔以硬件整形電路即可實現(xiàn)相應時鐘頻率 。 3)控濾波模塊 實現(xiàn) 設置程控濾波相應工作模式、品質(zhì)因數(shù)、中心頻率等相關 功能實現(xiàn)所需濾波效果 。 總 程序 流程圖 本設計的主程序流程圖如下圖 51 所示： 圖 51 主程序流程圖 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 23 第 六 章 測試方案與測試結(jié)果綜述 本課題按照上述硬件連接后，進行 3 組測試，即分別實現(xiàn)低通、高通和帶通濾波的功能具體測試如下： MAX262實現(xiàn)低通濾波器測試結(jié)果 本課題設計四階低通濾波器，按照 MAX262 提供的濾波器輔助設計軟件設計 低通濾波器 ，具體軟件設置方法如下： 圖 61 1kHz 低通濾波器 設計軟件使用方法示意圖 由上圖輔助軟件設置可知本課題設計的四階低通 巴特沃茲 濾波器 (截止頻率為1kHz)參數(shù)，具體如下表 61 所示： 表 61 四階 低通濾波器 參數(shù)設計 輸入?yún)?shù) 濾波器 輸入時鐘 clkf 各模塊濾波器 0f NQ NF 工作模式 濾波器 A 79 9 1 濾波器 B 9 9 1 利用掃頻儀針對該濾 波網(wǎng)絡測試后，得出輸入時鐘修正前與 修正后 濾波網(wǎng)絡相關對比 數(shù)據(jù) ，具體如下表 62 所示： 表 62 四階 低通 濾波器 (1kHz 截止頻率 )輸入時鐘 頻率 修正對比表 系統(tǒng) 0f 預期 值 (kHz) 輸入 時鐘頻率 修正前 輸入 時鐘頻率 修正后 時鐘頻率 clkf (kHz) 通帶 最大增益 值 (dB) 系統(tǒng) 0f 實測值 (kHz) 系統(tǒng) 0f處 增益 (dB) 時鐘頻率 clkf (kHz) 系統(tǒng) 0f 實測值 (kHz) 系統(tǒng) 0f處增益 (dB) 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 24 掃頻儀 幅頻特性 效果圖如下圖 62 所示： 圖 62 1kHz 低通濾波器 輸入時鐘修正前與修正后幅頻特性對比圖 MAX262 提供的輔助濾波器設計軟件設計的每 個二階濾波器截止頻率皆為， 經(jīng)過兩次低通濾波器級聯(lián)后 濾波器系統(tǒng) 實際 測試 截止頻率為 kHz 與實際 軟件設計截止頻率相對誤差為 %，排除系統(tǒng)誤差的非主要因素，可知： (1)MAX262 提供的輔助濾波器設計軟件設計的濾波器相關參數(shù)有誤差，可能是由于輔助軟件設計實際是使用的內(nèi)部查表形式輸出相應 NF 、 NQ 參數(shù)，每系列 NF 、 NQ參數(shù)對應相應頻段內(nèi)的濾波器中心頻率，因此才會出現(xiàn)使用輔助濾波器設計軟件設計濾波器系統(tǒng)截止頻率預期值為 1kHz 卻生成截止頻率為 的兩個二階濾波器。 (2)經(jīng)過大量試驗測試可得出：使用微調(diào)輸入時鐘頻率的方法可以改善濾波器截止頻率的特性。故本課題使用微調(diào)輸入時鐘頻率的方法修正 MAX262 提供的輔助濾波器設計軟件設計的濾波器相關參數(shù)有誤差的問題。 使用同樣設計方法可以得出其他頻率點的低通濾波器修正時鐘頻率，具體如下表63 所示： 表 63 低 通濾波器 典型截止頻率點輸 入時鐘 頻率 修正對比表 系統(tǒng) 0f 預期 值 (kHz) 輸 入 修 時鐘頻率 clkf (kHz) 通帶 最大增益 值 (dB) 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 25 時 正 鐘 前 頻 率 系統(tǒng) 0f 實測值 (kHz) 系統(tǒng) 0f 處增益 (dB) 輸 入 修 時 正 鐘 后 頻 率 時鐘頻率 clkf (kHz) 系統(tǒng) 0f 實測值 (kHz) 系統(tǒng) 0f 處增益 (dB) MAX262實現(xiàn)高通濾波器 測試結(jié)果 本課題設計四階高通濾波器，按照 MAX262 提供的濾波器輔助設計軟件設計 高通 濾波器 ，具體設置方法如下： 圖 63 1kHz 高 通濾波器 設計軟件使用方法示意圖 由上圖輔助軟件設置可知本課題設計的四階高通濾波器 (截止頻率為 1kHz)參數(shù)，具體如下表 64 所示： 表 64 四階 高 通濾波器 參數(shù)設計 輸入?yún)?shù) 濾波器 輸入時鐘 clkf 各模塊濾波器 0f NQ NF 工作模式 濾波器 A 79 61 3 濾波器 B 9 61 3 利用掃頻儀針對該濾波網(wǎng)絡測試后，得出輸入時鐘修正前與 修正后 濾波網(wǎng)絡相關對比 數(shù)據(jù) ，具體如下表 65 所示： 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 26 表 65 四階高 通濾波器 (1kHz 截止頻率 )輸入時鐘 頻率 修正對比表 系 統(tǒng) 0f 預期 值 (kHz) 輸入 時鐘頻率 修正前 輸入 時鐘頻率 修正后 時鐘頻率 clkf (kHz) 通帶 最大增益 值 (dB) 系統(tǒng) 0f 實測值 (kHz) 系統(tǒng) 0f處增益 (dB) 時鐘頻率 clkf (kHz) 系統(tǒng) 0f 實測值 (kHz) 系統(tǒng) 0f處增益 (dB) 掃頻儀 幅頻特性 效果圖如下圖 64 所示： 圖 64 1kHz 高 通濾波器 輸入時鐘修正前與修正后幅頻特性對比圖 微調(diào)輸入時鐘頻率可以改善濾波器截止頻率的特性的具體調(diào)試細節(jié)不再贅述，經(jīng)過大量試驗測試得出：使用兩個二階濾波器級聯(lián)時，均使用高通濾波器即可，高 Q值得濾波器放在第一級濾波系統(tǒng)效果比較好。同樣設計方法可以得出 其他頻率點的高通濾波器修正時鐘頻率，具體如下表 66 所示： 表 66 高通濾 波器 典型截止頻率點輸入時鐘 頻率 修正對比表 系統(tǒng) 0f 預期 值 (kHz) 輸 入 修 時 正 鐘 前 頻 率 時鐘頻率 clkf (kHz) 通帶 最大增益 值 (dB) 系統(tǒng) 0f 實測值 (kHz) 系統(tǒng) 2 0f 處增益 (dB) 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 27 輸 入 修 時 正 鐘 后 頻 率 時鐘頻率 clkf (kHz) 系統(tǒng) 0f 實測值 (kHz) 系統(tǒng) 2 0f 處增益 (dB) MAX262實現(xiàn)帶 通濾波器 測試結(jié)果 本課題設計四階帶通濾波器，按照 MAX262 提供的設計軟件設 計帶通濾 波器 ，具體設置方法如下圖 65 所示： 圖 65 1kHz 帶 通濾波器 設計軟件使用方法示意圖 由上圖輔助軟件設置可知本課題設計的四階帶通濾波器 (截止頻率為 1kHz)參數(shù)，具體如下表 67 所示： 表 67 四 階帶 通 濾波器 參數(shù)設計 輸入?yún)?shù) 濾波器 輸入時鐘 clkf 各模塊濾波器 0f NQ NF 工作模式 濾波器 A kHz 121 43 1 濾波器 B kHz 121 31 1 利用掃頻儀針對該濾波網(wǎng)絡測試后，得出輸入時鐘修正前與 修正后 濾波網(wǎng)絡相關對比 數(shù)據(jù) ，具體如下表 68 所示： 表 68 四階 帶 通濾波器 (1kHz 截止頻率 )輸入時鐘 頻率 修正對比表 系統(tǒng)中心頻率 0f 輸入 時鐘頻率 修正前 輸入 時鐘頻率 修正后 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 28 預期 值(kHz) 時鐘頻率 clkf (kHz) 通帶 最大增益值 (dB) 第一截止頻率(kHz) 第二截止頻率(kHz) 系統(tǒng)中心頻率 0f實測值(kHz) 時鐘頻率 clkf (kHz) 第一截止頻率(kHz) 第二截止頻率(kHz) 系統(tǒng)中心頻率 0f實測值(kHz) 微調(diào)輸入時鐘頻率可以改善濾波器截止頻率特性的具體細節(jié)不再贅述，經(jīng)過大量試驗測試得出：使用兩個二階濾波器級聯(lián)時，第一級使用帶通濾波器，第二級使用低通濾波器，系統(tǒng)濾波效果比較好。同樣設計方法可以得出其他頻率點的帶通濾波器修正 時鐘頻率，具體如下表 69 所示： 表 69 帶通濾波 器 (2kHz 截止頻率 )輸入時鐘 頻率 修正對比表 系統(tǒng)中心頻率 0f預期 值(kHz) 輸入 時鐘頻率 修正前 輸入 時鐘頻率 修正后 時鐘頻率 clkf (kHz) 通帶 最大增益值 (dB) 第一截止頻率(kHz) 第二截止頻率(kHz) 系統(tǒng)中心頻率 0f實測值(kHz) 時鐘頻率 clkf (kHz) 第一截止頻率(kHz) 第二截止頻率(kHz) 系統(tǒng)中心頻率 0f實測值(kHz) 數(shù)據(jù)分析 系統(tǒng) 濾波器 經(jīng)過輸入時鐘微調(diào)后 的 中心頻率設計預期值與實測值 誤差沒有超過3%，同時可以看到，高通濾波器的精度高于低通濾波器，這是因為 MAX262 高通濾波器允許的最大時鐘與截止頻率比大于低通的時鐘與截止頻 率比，理論上高通的截止頻率較為準確。 系統(tǒng)不足之處： 由于前置抗混疊濾波器和平滑濾波器只采用了簡單的一階 RC 濾波，因此，在頻率點附近的頻率不夠，造成有少量的時鐘混疊現(xiàn)象，尤其是在 1kHz5kHz 低通下，此時，時鐘頻率較低，前置抗混疊濾波器和平滑濾波器濾波不足，若能采用有源的高階(如 7 階橢圓濾波器 )，時鐘混疊和干擾現(xiàn)象一定會大為減小。 大連交通大學 2021 屆 本科 生畢業(yè)設計 29 結(jié) 論 本課題研究對象為設計使用 基于 MAX262 的程控濾波器，由于傳統(tǒng)濾波器實際使用較為麻煩，而其精度不高，由此設計使用高精度程控濾波器具有一定實用價值。 雖然課題設計 的濾波器系統(tǒng)所處理信號處于低頻段，但由課題使用時鐘產(chǎn)生模塊處于低頻系統(tǒng)與高頻系統(tǒng)之間，故在實際設計與調(diào)試中也遇到許多高頻系統(tǒng)的問題，即需要考慮信號完整性的相關問題，因此信號的屏蔽與否及傳輸線介質(zhì)選擇尤為重要； 經(jīng)過反復測試調(diào)試，最終在軟件設置上得到一系列修正參數(shù)，輔以硬件系統(tǒng)對信號完整性考慮的相關設計，使得濾波器系統(tǒng)可以達到實際使用的要求。 此次畢業(yè)設計是 本科學習階 段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會 。 通過這次畢業(yè)設計我比較 完整的 體會了一次軟硬件結(jié)合開發(fā)的過程 ， 這使我 擺脫了單純的學習理論知識 的 狀態(tài) ， 實際設 計鍛煉了我的綜合運用所學的專業(yè)基礎知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及 相關軟件使用 等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到 了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升 ，想必 這 也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在。 雖然畢業(yè)設計內(nèi)容 繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，各種 元器件 的選用標準， 整體電路的布局， 我都是隨著設計的不斷深入