【導(dǎo)讀】題目基于MAX262的程控濾波器設(shè)計(jì)。學(xué)生姓名李偉專業(yè)班級(jí)電子信息工程08-1班。所在院系電氣信息學(xué)院。指導(dǎo)教師宗靜靜職稱講師。所在單位大連交通大學(xué)。教研室主任賈世杰。完成日期2021年6月16日。本設(shè)計(jì)由電源模塊、MCU控制器模塊、顯示模塊、鍵盤控制模塊、時(shí)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(dāng)步進(jìn)時(shí)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(dá)到控制濾波器工作模式及相應(yīng)濾波性能指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期濾波效果。本課題正是針對(duì)目前傳統(tǒng)濾波器相應(yīng)濾波性能指標(biāo)相對(duì)固定、精度相對(duì)低等不足提。出的，輔以開關(guān)電容濾波器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)數(shù)目，有效地解決相應(yīng)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(hù)性，具有一定可借

　　

【正文】 性的同時(shí)，寫入濾波器數(shù)據(jù)端和地址端的信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲，故相應(yīng)信號(hào)線可以用鎖存器緩大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 沖相應(yīng)寫入信號(hào)的突變改善濾波效果， 實(shí)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(gè)必須考慮的問題就是開關(guān)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(tái)階狀的信號(hào)，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(jí)單級(jí)點(diǎn) RC 平滑濾波器 ( 04f 處 )消除，實(shí)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(dāng)設(shè)計(jì)多級(jí)濾波器時(shí)，要使輸出噪聲較低應(yīng)將具有高 Q 值的濾波系統(tǒng)放在第 一級(jí)。 電源模塊 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)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(shí)現(xiàn)，故不作詳述。 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 第 五 章 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng) 功能描述 本設(shè)計(jì)的軟件 控濾波模塊 部分主要包括獨(dú)立鍵盤模塊、顯示模塊、 時(shí)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(dú)立鍵盤模塊 實(shí)現(xiàn)功能：實(shí)現(xiàn) 時(shí)鐘產(chǎn)生 模塊的 時(shí)鐘 頻率 加減步 進(jìn) 控制功能 ， 可分別獨(dú)立實(shí)現(xiàn)頻率加減步進(jìn)。 顯示模塊實(shí)現(xiàn)功能：使用 12864 分辨率顯示器實(shí)現(xiàn) 良好的用戶界面； 系統(tǒng)初始化同時(shí) 顯示了本次課程設(shè)計(jì)的題目以及設(shè)計(jì)作者； 當(dāng)進(jìn)入濾波器 用戶界面 時(shí) ，即 可 顯示當(dāng)前的產(chǎn)生的 中心頻率值與輸入時(shí)鐘頻率值，并可步進(jìn)實(shí)時(shí)觀察步進(jìn)頻率時(shí)二者的變化 。 2)時(shí)鐘產(chǎn)生 模塊實(shí)現(xiàn)功能：使用 AD9850 實(shí)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)時(shí)鐘頻率 。 3)控濾波模塊 實(shí)現(xiàn) 設(shè)置程控濾波相應(yīng)工作模式、品質(zhì)因數(shù)、中心頻率等相關(guān) 功能實(shí)現(xiàn)所需濾波效果 。 總 程序 流程圖 本設(shè)計(jì)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(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 第 六 章 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果綜述 本課題按照上述硬件連接后，進(jìn)行 3 組測(cè)試，即分別實(shí)現(xiàn)低通、高通和帶通濾波的功能具體測(cè)試如下： MAX262實(shí)現(xiàn)低通濾波器測(cè)試結(jié)果 本課題設(shè)計(jì)四階低通濾波器，按照 MAX262 提供的濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 低通濾波器 ，具體軟件設(shè)置方法如下： 圖 61 1kHz 低通濾波器 設(shè)計(jì)軟件使用方法示意圖 由上圖輔助軟件設(shè)置可知本課題設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 輸入?yún)?shù) 濾波器 輸入時(shí)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(duì)該濾 波網(wǎng)絡(luò)測(cè)試后，得出輸入時(shí)鐘修正前與 修正后 濾波網(wǎng)絡(luò)相關(guān)對(duì)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(shí)鐘 頻率 修正對(duì)比表 系統(tǒng) 0f 預(yù)期 值 (kHz) 輸入 時(shí)鐘頻率 修正前 輸入 時(shí)鐘頻率 修正后 時(shí)鐘頻率 clkf (kHz) 通帶 最大增益 值 (dB) 系統(tǒng) 0f 實(shí)測(cè)值 (kHz) 系統(tǒng) 0f處 增益 (dB) 時(shí)鐘頻率 clkf (kHz) 系統(tǒng) 0f 實(shí)測(cè)值 (kHz) 系統(tǒng) 0f處增益 (dB) 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(shí)鐘修正前與修正后幅頻特性對(duì)比圖 MAX262 提供的輔助濾波器設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的每 個(gè)二階濾波器截止頻率皆為， 經(jīng)過兩次低通濾波器級(jí)聯(lián)后 濾波器系統(tǒng) 實(shí)際 測(cè)試 截止頻率為 kHz 與實(shí)際 軟件設(shè)計(jì)截止頻率相對(duì)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(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的濾波器相關(guān)參數(shù)有誤差，可能是由于輔助軟件設(shè)計(jì)實(shí)際是使用的內(nèi)部查表形式輸出相應(yīng) NF 、 NQ 參數(shù)，每系列 NF 、 NQ參數(shù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)頻段內(nèi)的濾波器中心頻率，因此才會(huì)出現(xiàn)使用輔助濾波器設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)濾波器系統(tǒng)截止頻率預(yù)期值為 1kHz 卻生成截止頻率為 的兩個(gè)二階濾波器。 (2)經(jīng)過大量試驗(yàn)測(cè)試可得出：使用微調(diào)輸入時(shí)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(shí)鐘頻率的方法修正 MAX262 提供的輔助濾波器設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的濾波器相關(guān)參數(shù)有誤差的問題。 使用同樣設(shè)計(jì)方法可以得出其他頻率點(diǎn)的低通濾波器修正時(shí)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(diǎn)輸 入時(shí)鐘 頻率 修正對(duì)比表 系統(tǒng) 0f 預(yù)期 值 (kHz) 輸 入 修 時(shí)鐘頻率 clkf (kHz) 通帶 最大增益 值 (dB) 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 時(shí) 正 鐘 前 頻 率 系統(tǒng) 0f 實(shí)測(cè)值 (kHz) 系統(tǒng) 0f 處增益 (dB) 輸 入 修 時(shí) 正 鐘 后 頻 率 時(shí)鐘頻率 clkf (kHz) 系統(tǒng) 0f 實(shí)測(cè)值 (kHz) 系統(tǒng) 0f 處增益 (dB) MAX262實(shí)現(xiàn)高通濾波器 測(cè)試結(jié)果 本課題設(shè)計(jì)四階高通濾波器，按照 MAX262 提供的濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 高通 濾波器 ，具體設(shè)置方法如下： 圖 63 1kHz 高 通濾波器 設(shè)計(jì)軟件使用方法示意圖 由上圖輔助軟件設(shè)置可知本課題設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 輸入?yún)?shù) 濾波器 輸入時(shí)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(duì)該濾波網(wǎng)絡(luò)測(cè)試后，得出輸入時(shí)鐘修正前與 修正后 濾波網(wǎng)絡(luò)相關(guān)對(duì)比 數(shù)據(jù) ，具體如下表 65 所示： 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 表 65 四階高 通濾波器 (1kHz 截止頻率 )輸入時(shí)鐘 頻率 修正對(duì)比表 系 統(tǒng) 0f 預(yù)期 值 (kHz) 輸入 時(shí)鐘頻率 修正前 輸入 時(shí)鐘頻率 修正后 時(shí)鐘頻率 clkf (kHz) 通帶 最大增益 值 (dB) 系統(tǒng) 0f 實(shí)測(cè)值 (kHz) 系統(tǒng) 0f處增益 (dB) 時(shí)鐘頻率 clkf (kHz) 系統(tǒng) 0f 實(shí)測(cè)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(shí)鐘修正前與修正后幅頻特性對(duì)比圖 微調(diào)輸入時(shí)鐘頻率可以改善濾波器截止頻率的特性的具體調(diào)試細(xì)節(jié)不再贅述，經(jīng)過大量試驗(yàn)測(cè)試得出：使用兩個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)時(shí)，均使用高通濾波器即可，高 Q值得濾波器放在第一級(jí)濾波系統(tǒng)效果比較好。同樣設(shè)計(jì)方法可以得出 其他頻率點(diǎn)的高通濾波器修正時(shí)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(diǎn)輸入時(shí)鐘 頻率 修正對(duì)比表 系統(tǒng) 0f 預(yù)期 值 (kHz) 輸 入 修 時(shí) 正 鐘 前 頻 率 時(shí)鐘頻率 clkf (kHz) 通帶 最大增益 值 (dB) 系統(tǒng) 0f 實(shí)測(cè)值 (kHz) 系統(tǒng) 2 0f 處增益 (dB) 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 輸 入 修 時(shí) 正 鐘 后 頻 率 時(shí)鐘頻率 clkf (kHz) 系統(tǒng) 0f 實(shí)測(cè)值 (kHz) 系統(tǒng) 2 0f 處增益 (dB) MAX262實(shí)現(xiàn)帶 通濾波器 測(cè)試結(jié)果 本課題設(shè)計(jì)四階帶通濾波器，按照 MAX262 提供的設(shè)計(jì)軟件設(shè) 計(jì)帶通濾 波器 ，具體設(shè)置方法如下圖 65 所示： 圖 65 1kHz 帶 通濾波器 設(shè)計(jì)軟件使用方法示意圖 由上圖輔助軟件設(shè)置可知本課題設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 輸入?yún)?shù) 濾波器 輸入時(shí)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(duì)該濾波網(wǎng)絡(luò)測(cè)試后，得出輸入時(shí)鐘修正前與 修正后 濾波網(wǎng)絡(luò)相關(guān)對(duì)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(shí)鐘 頻率 修正對(duì)比表 系統(tǒng)中心頻率 0f 輸入 時(shí)鐘頻率 修正前 輸入 時(shí)鐘頻率 修正后 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 預(yù)期 值(kHz) 時(shí)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(shí)測(cè)值(kHz) 時(shí)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(shí)測(cè)值(kHz) 微調(diào)輸入時(shí)鐘頻率可以改善濾波器截止頻率特性的具體細(xì)節(jié)不再贅述，經(jīng)過大量試驗(yàn)測(cè)試得出：使用兩個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)時(shí)，第一級(jí)使用帶通濾波器，第二級(jí)使用低通濾波器，系統(tǒng)濾波效果比較好。同樣設(shè)計(jì)方法可以得出其他頻率點(diǎn)的帶通濾波器修正 時(shí)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(shí)鐘 頻率 修正對(duì)比表 系統(tǒng)中心頻率 0f預(yù)期 值(kHz) 輸入 時(shí)鐘頻率 修正前 輸入 時(shí)鐘頻率 修正后 時(shí)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(shí)測(cè)值(kHz) 時(shí)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(shí)測(cè)值(kHz) 數(shù)據(jù)分析 系統(tǒng) 濾波器 經(jīng)過輸入時(shí)鐘微調(diào)后 的 中心頻率設(shè)計(jì)預(yù)期值與實(shí)測(cè)值 誤差沒有超過3%，同時(shí)可以看到，高通濾波器的精度高于低通濾波器，這是因?yàn)?MAX262 高通濾波器允許的最大時(shí)鐘與截止頻率比大于低通的時(shí)鐘與截止頻 率比，理論上高通的截止頻率較為準(zhǔn)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(diǎn)附近的頻率不夠，造成有少量的時(shí)鐘混疊現(xiàn)象，尤其是在 1kHz5kHz 低通下，此時(shí)，時(shí)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(shí)鐘混疊和干擾現(xiàn)象一定會(huì)大為減小。 大連交通大學(xué) 2021 屆 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 結(jié) 論 本課題研究對(duì)象為設(shè)計(jì)使用 基于 MAX262 的程控濾波器，由于傳統(tǒng)濾波器實(shí)際使用較為麻煩，而其精度不高，由此設(shè)計(jì)使用高精度程控濾波器具有一定實(shí)用價(jià)值。 雖然課題設(shè)計(jì) 的濾波器系統(tǒng)所處理信號(hào)處于低頻段，但由課題使用時(shí)鐘產(chǎn)生模塊處于低頻系統(tǒng)與高頻系統(tǒng)之間，故在實(shí)際設(shè)計(jì)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(hào)完整性的相關(guān)問題，因此信號(hào)的屏蔽與否及傳輸線介質(zhì)選擇尤為重要； 經(jīng)過反復(fù)測(cè)試調(diào)試，最終在軟件設(shè)置上得到一系列修正參數(shù)，輔以硬件系統(tǒng)對(duì)信號(hào)完整性考慮的相關(guān)設(shè)計(jì)，使得濾波器系統(tǒng)可以達(dá)到實(shí)際使用的要求。 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是 本科學(xué)習(xí)階 段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì) 。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我比較 完整的 體會(huì)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(xué)習(xí)理論知識(shí) 的 狀態(tài) ， 實(shí)際設(shè) 計(jì)鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際工程問題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及 相關(guān)軟件使用 等其他專業(yè)能力水平，而且通過對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。 雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)， 整體電路的布局， 我都是隨著設(shè)計(jì)的不斷深入