【導讀】電氣控制技術應用設計。題目基于DSP的FIR數(shù)。字低通濾波器設計。二級學院電子信息與自動化學院。專業(yè)電氣工程及其自動化。時間：2020年8月29日至2020年9月9日?？己隧椖科綍r成績20分設計35分報告15分答辯30分。總分考核等級教師簽名。（一）二階有源低通濾波電路的構(gòu)建........

　　

【正文】 框中，按如下圖設置 20 如果出現(xiàn)的波形圖太大，在圖形上點右鍵，將” Allow Docking”、” Float in main window”之前的勾去掉，即會變成如下圖的波形： 重復前三個步驟，只改變圖形選項中的 Display Type、 Graph Title、 Start Address，使之最后出現(xiàn)如下的圖形： 21 左上角：輸入數(shù)據(jù)時域圖 (Start Address : input) 右上角：輸入數(shù)據(jù)頻譜（ Display Type : FFT Magnitude） 左下角：輸出數(shù)據(jù)時域圖 (Start Address : output) 右下角：輸出數(shù)據(jù)頻譜（ Display Type : FFT Magnitude） 五 DSP數(shù)字濾波器與硬件低通濾波器對比 （一）二階有源低通濾波電路的構(gòu)建 低通濾波器是用低頻信號衰減或抑制高頻信號。 如圖為典型的二階低通濾波器。它由兩級 RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運算電路組成，其中第一級電容 C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。 22 （二）二階低通濾波器 參數(shù)計算 二 階低通濾波器性能參數(shù)表達式為 ω C2＝１ /（ CC1RR1） Q= ω C/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 AV=1+R4/R3 參數(shù)計算 設定低通濾波器的截止頻率為 2KHz、品質(zhì)因數(shù) Q=，設定R1=R2=R,C1=C2=C；又根據(jù)截至頻率，初步確定電容值 C1=C2=C=，由 R1=R2=， R3=R4=4*R=3， 184K （三）在 protues 環(huán)境下的仿真測試 打開 protues 軟件，在元件庫尋找到電阻，電容，運算放大器元件 。根據(jù)電路圖連接線路，再根據(jù)計算結(jié)果設定元件的參數(shù)。 二階有源低通濾波器電路圖與在 protues 中仿真的結(jié)果 （四） 實物硬件連接以及測試結(jié)果 首先在面包板上完成電路的連接與測試。 23 完成測試后在電路板上完成焊接工作。 由測試的波形的對比，有信號可以通過隨著輸入頻率增加，電容電抗減小，由于電阻不變，而電容電抗減小 ，根據(jù)分壓定理，電容兩端的電壓（輸出電壓）將隨之減小。當輸入頻率增加到某一值時，電抗遠小于電阻，輸出電壓與輸入電壓 相比可忽略不計。這時，電路基本上完全阻 止了輸入信號的輸出。 同理對比一個噪聲信號的波形的前后對比可以得出相同的結(jié)論。 （五）利用 FilterPro 的低通濾波器設計 本設計是由 TI 公司的 FilterPro 濾波器設計軟件直接設計生成的濾波器電路， FilterPro 是一款強大的濾波器設計軟件，研發(fā)時間斷、成本比較低、產(chǎn)品開發(fā)投放市場快。與其它的類型的濾波器不同的是，它支持三種最常見的全極點濾波器類型：巴特沃茲（最大幅度平坦度）、切比雪夫（等紋波幅度）及貝塞爾 24 （最大延遲時間平坦度）。此軟件是經(jīng)過了一系列精確細致的運算，得到更為理想的低通濾波器，誤 差范圍更小，產(chǎn)生效果更明顯，更易于大家認可和接受。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以將邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。具有科學性和正確性。 1 選擇 filter 類型 2 濾波器參數(shù)設定 根據(jù)需求依據(jù)要求改寫相應參數(shù) 25 3 濾波器的算法選擇 這里因為 butterworth 算法所產(chǎn)生的曲線最為平滑所以選擇此算法。 4 濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)選擇 SallenKey 濾波器是 1955 年 與 提出的一種由單個運算放大器和電阻、電容組成的 低通濾波器。另外兩個上方的為單反饋的下方的為雙反饋的。 二階低通濾波器電路圖與幅頻曲線圖 26 （六） DSP 數(shù)字濾波器與硬件電路濾波器對比總結(jié) 首先簡單的濾波器的硬件電路設計比較簡單，利用設計工具可以輕易獲得電路原理圖。硬件設計的濾波器的濾波方式主要是利用了運算放大器在輸入端的兩個電容。當有信號通過的時候，高頻信號經(jīng)過電容，電容的電抗減小，根據(jù)分壓原理輸入端的兩端電壓減小。當信號頻率高于設定時，這時高頻信號加在輸入端的電壓信號很小其輸出信號可以忽略掉。 而使用 DSP 設計的數(shù)字濾波器直觀上的優(yōu)勢就是操作簡單快捷，得到 的波形圖清晰準確。其次數(shù)字濾波器的精度高，仿真度好，而且可靠性好相對于硬件電路受到外界環(huán)境例如溫度濕度的影響比較小。硬件電路如果提高其精確度所需元件會增加許多導致體積增大成本增加不利于產(chǎn)品的生產(chǎn)使用。 六 課程設計總結(jié) 課程設計的開始，我們組的課題是基于 dsp 的門禁系統(tǒng)設計，但是因為指紋的輸入器已經(jīng)是完成品并且只能與相應軟件進行配合使用，并不適合用于開發(fā)板。所以將小組的課題更改為基于 DSP 的 FIR 低通濾波器的設計。在開始的兩天我們小組兩人進行分工合作，一人進行資料文獻的收集，另一人進行相應軟件的安裝。 材 料與軟件準備完成后，我們兩人開始第一步在 matlab 的環(huán)境下進行濾波器的仿真與設計。通過對材料的閱讀分析， matlab 的設計可以分為兩種，自帶的 fir 函數(shù)與 FDATool 工具進行濾波器的設計。通過指令編寫將三個信號疊加起來，形成一個輸入信號。調(diào)用函數(shù)信號將輸入信號進行處理，分別將濾波器的幅頻特性與相頻特性曲線和輸入輸出信號的幅頻曲線與相頻曲線輸出。 在完成 matlab 的設計之后我們組獲得六張圖片可以分析濾波器的性能，外加濾波器的參數(shù)與輸入信號文件。然后進行 dsp 的 c語言程序編寫。在進行設計的過程中遇到的第一 個問題就是文件編譯過程之中出現(xiàn)了錯誤。程序在連接過程中尋找不到相應的頭文件。之后通過將濾波器參數(shù)直接寫入 c語言程序中解決了問題。第二個問題是需要一個 lib文件的支持才能使得 c語言程序能過進行仿真，通過在 ti 官網(wǎng)上進行下載，并將文件添加在 library 的庫中解決。 27 在完成軟件仿真之后，開始對濾波器的硬件電路進行學習。在這個過程中我們找到了一個名為 FilterPro 的專門設計的軟件。在軟件的幫助之下，我們得到了一個簡單的二階低通濾波器電路。通過 protues 軟件我們繪制了一個簡單二階低通濾波器電路圖，在輸入端輸 入一個正弦信號，在輸出端利用幅頻曲線顯示結(jié)果，通過對比與之前所設計的濾波器的仿真結(jié)果基本一致。 在實驗過程中，我們小組利用了 matlab， ， protues， FDATool， protel等軟件完成對于濾波器的設計與仿真。其中我們額外學習了濾波器的硬件電路，dsp 的最小系統(tǒng)的設計， dsp 的外圍電路的設計和利用 protel 繪制元件圖并轉(zhuǎn)化為 PCB 圖。 在完成這些過后，我們對于運算放大器的硬件電路原理也進行了了解，在這個過程之中我們復習了以前的有關于模電的知識，并且知道了運算放大器可以完成濾波的原理是當 有一定頻率的信號進入時，隨著輸入的頻率的升高電容的電抗減小，根據(jù)分壓定理，電容兩端的電壓大小降低，輸入的信號減小于是輸出信號隨之減小，這樣高頻信號就被過濾出去了，留下的就是低頻信號。 這次課程設計的不足在于只能設計簡單的硬件電路，其濾波器的濾波效果不好失真比較嚴重， DSP設計的數(shù)字濾波器在開發(fā)板上進行仿真時高頻信號沒有能完全處理掉。不過在這其間我們通過這次課程設計收獲了更多的東西。第一我們學會了如何在零基礎的情況下進行資料的收集與整理。第二我們學會了在元件缺乏的或者元件原理不清楚時通過向廠家詢問尋求幫助。第 三設計過程中將幾個重要的實用軟件例如 MATLAB， CCS 與 protues 等軟件的使用有了基本的了解。第四我們學會了如何在 MATLAB 和 CCS 中編寫濾波器程序。第五學會了如何將不同的軟件配合起來使用。第六在程序的編譯和鏈接過程中遇到了編譯問題，通過下載缺少的庫文件解決。第七為了可以驗證 DSP 的數(shù)字濾波器的功能我們學習protues 軟件的使用和仿真，鍛煉了焊接的技巧，同時加深了對運算放大器的功能的理解。 這次課程設計雖然很短暫，但是在這短短的兩周我們小組不僅學習了大量軟件的使用并且對于硬件電路有了一定的了解。在 指導老師的幫助下學會了設計過程中要注意的原則第一是要注意效益降低成本，第二是可以滿足設計的需求，第三是要對于產(chǎn)品工作的環(huán)境要在設計過程中進行考慮。還有教導我們?nèi)绾慰焖俑? 28 效的完成設計。并且對于設計過程中出現(xiàn)的問題和設備發(fā)生故障時懂得了如何利用有效的方式解決。 參考文獻 [1]曹陽 .DSP 原理及實踐應用 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 2020. [2]張志美 .MATLAB 完全自學手冊 [M].北京：電子工業(yè)出版社， 2020. [3]周潤景 .PROTEUS 入門實用教程 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 2020. [4]黨瑞榮 .TMS320 系列 DSP 原理、結(jié)構(gòu)及應用 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 2020. [5]張偉 .Protel99SE 實用教程 [M].北京：人民郵電出版社， 2020.