【正文】 巴特沃茲二階低通濾波器的傳輸函數(shù)為 2220)(G)(CAACACAALASQSSG?????? 公式（ 32） 其中， G(S)濾波器的傳輸函數(shù)， G(? )濾波器的幅頻特性， G0 濾波器的通帶增益， fc 濾波器的截止頻率， Q品質(zhì)因數(shù) 。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 13 J u n 20 0 9 S h e e t of F il e : F : \ F \ 61 A 板 _S c h. D D B D r a w n B y:D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515V+16OE1CLK11A0A1A2A3D0D1U?74 A L S 3 73+ 5V6D17A39V+10A213A114A016V19D024M A X 26 225W \ R \J P ?M A X 26 22 圖 37 緩沖 /鎖存邏輯輸入電路 理論分析計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) n階濾波器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式 011011 ^^)( aassasa bbssbsbsG nnnnmmmmn???? ????? ???? (m≤n) 公式（ 31） （ 1） 巴特沃茲二階低通濾波器的實(shí)現(xiàn) 將 MAX262 設(shè)置為工作方式 1，實(shí)現(xiàn)巴特沃茲二階低通 濾波器，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部濾波器 A，圖 23 的測試點(diǎn) C 即是巴特沃茲二階低通濾波器的輸出端。通過 74HC373 的緩沖電路還可以防止由于邏輯輸入躍變而產(chǎn)生某些噪聲。本設(shè)計(jì) 采用外加時(shí)鐘的方法， 再用繼電器分頻來產(chǎn)生所需的時(shí)鐘頻率， 以滿足步進(jìn) 1KHz的要求。 圖 35 控制數(shù)據(jù)輸入時(shí)序 程控濾波器硬件電路設(shè)計(jì) 如圖 36 所示，是 基于 MAX262 的濾波電路圖。 圖 35 是控制數(shù)據(jù)輸入時(shí)序。 （ 4） 時(shí)鐘頻率與中心頻率比值 (fclk/f0)可達(dá)到 1%(A 級(jí) )。 （ 2） 可控制 64 個(gè)不同的中心頻率 f0、 128 個(gè)不同的品質(zhì)因數(shù) Q 及 4 種工作模式 。每個(gè)濾波器部分又包含 2 個(gè)級(jí)聯(lián)的積分器和1 個(gè)加法器。 圖 34是 MAX262的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 。 OP OUT —— MAX262 的放大器輸出端。 A0、 A A A3 —— 地址輸人端，可用來完成對(duì)濾波 器工作模式、 f0和Q 的相應(yīng)設(shè)置。接 V+時(shí)，輸人數(shù)據(jù)不起作用；接 V時(shí)，數(shù)據(jù)可通過邏輯接口進(jìn)入一個(gè)可編程的內(nèi)存之中，以完成濾波器的工作模式、 f0及 Q的設(shè)置。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 14 HPA、 HPB—— 高通、帶阻、全通濾波器輸出端。 BPA、 BPB —— 帶通濾波器輸出端。 OSCOUT —— 與晶體振蕩器或 RC 振蕩器相連，用于自同步。 CLKB —— 濾波器 B 部分的時(shí)鐘輸入端，同樣在濾波器內(nèi)部，時(shí)鐘頻率被2 分頻。 GND —— 模擬地。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itleN um be r R e vi s ionS iz eBD a te : 27 M a y 20 09 S h e e t of F ile : F :\F \原理圖 .D D B D r a w n B y:輸入1B P A2O P O U T3H P A4O P I N5I N A6D17A38C L K O U T9V+10A211C L K A12C L K B13A114A015W \R \16V17G N D18O S C O U T19D020H P B21B P B22L P B24L P A23I N BM A X 26 2 圖 33 MAX262引腳 V+ —— 正電源輸入端。它采用 CMOS 工藝制造，在不需外部元件的情況下就可以構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波和全通濾波器。這兩個(gè)有源濾波器既可獨(dú)立使用也可串聯(lián)使用。 程控濾波器 MAX262芯片的簡介 MAX262 芯片是 Maxim公司推出的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，可通過微處理器精確控制濾波器的傳遞函數(shù) (包括設(shè)置中心頻率、品質(zhì)因數(shù)和工作方第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 13 式 )。其中，設(shè)置為工作方式 1 時(shí)，實(shí)現(xiàn)題目中 巴特沃茲 低通濾波器 和 高通濾波器的要求。 指示燈（ LED）：包括 Sleep－睡眠指示燈和 Power－電源指示燈，用于指示系統(tǒng)處于的狀態(tài)。 SPCE061A的 WatchDog的清除時(shí)間周期為 。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，每隔一定的周期就必須清除 WatchDog 計(jì)數(shù)器。如果電源電壓低于 時(shí)，會(huì)在 4 個(gè)時(shí)鐘周期之后產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位。 當(dāng)電源電壓低于 ，系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定且容易出錯(cuò)。 SPCE061A 復(fù)位電路如圖 34 所示，在復(fù)位端加上一個(gè)低電平就可令其復(fù)位。另外，還可以按鍵（ S1）外部復(fù)位。系統(tǒng)預(yù)設(shè)的 PLL 振蕩頻率為 。晶振輸入模塊電路如 圖 33 所示， SPCE061A 可以對(duì) 32768Hz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，因而提供了多種實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷。因 RC阻容振蕩的電路時(shí)鐘不如外接晶振準(zhǔn)確。先在 OSC0、 OSC1 端接上晶體振蕩器及諧振電容，然后在 VCP 端接上相應(yīng)的電 容和電阻后即可工作，在其它不用的 VDD 端和 GND 端接上 的耦合電容提高抗干擾能力。 如下圖 32 所示，是 SPCE061A 最小系統(tǒng)。 (4) 可通過 PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；帶有 32768Hz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘；具有 7 通道、 10 位電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器和聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置傳聲器放大器和自動(dòng)增益控制 (AGC)功能。 (2) 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 (可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值 )； 2 個(gè) 10 位DAC (數(shù)模轉(zhuǎn)換 )輸出通道； 32位通用可編程輸入 /輸出端口；具備鍵喚醒功能； 14 個(gè)中斷源可來自定時(shí)器 A/B、 2 個(gè)外部時(shí)鐘源輸入和鍵喚醒。 圖 31 SPCE061A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 10 其主要特點(diǎn)如下： (1) 共有 84 個(gè)引腳。因此，以 μ?nSP?為核心的 SPCE061A 微控制器是適用于數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種非常經(jīng)濟(jì)的選擇。在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶資源的需求較少以及便于程序調(diào)試等功能， SPCE061A 只內(nèi)嵌 32K 字的閃存 (FLASH)和 2K 字的SRAM。 圖 23 程控濾波器原理方框圖 凌陽單片機(jī) SPEC 061A / D D / A A / D A / DD / A A / DSpe ak er輸出電路MIC 音頻輸入電路鍵盤模塊 LCD 顯示 電源模塊放大器第一級(jí)放大電路AD 603第二級(jí)放大電路AD 603程控濾波器MAX 262開關(guān)U 01測試點(diǎn)AU 02測試點(diǎn)BCDEU 03U 04U 05測試點(diǎn) C測試點(diǎn) D測試點(diǎn) E第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 9 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 程控濾波器系統(tǒng)的硬 件 電路設(shè)計(jì)包括：單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ， 基于 AD603 增益可控放大器的設(shè)計(jì) ， 基于 MAX262 的濾波電路設(shè)計(jì)，鍵盤與顯示模塊電路設(shè)計(jì)， 語音模塊， 電源電路設(shè)計(jì)等。用兩級(jí) AD603 增益可控放大器完成信號(hào)放大功能。 方案中以凌陽單片機(jī)SPCE061A 作為控制中心，整個(gè)系統(tǒng)的控制和操作全部由凌陽單片機(jī) SPCE061A控制電路完成，如各項(xiàng)性能指標(biāo)的測量、各種信號(hào)之間的切換、 LCD 顯示、實(shí)時(shí)語音播報(bào)等。 經(jīng)過上述比較，在控制模塊中方案三比方案一及方案二更優(yōu)， 操作簡單、方便，性能可靠，工作穩(wěn)定，方案三是一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。能夠滿足設(shè)計(jì)要求。但 AD7520 對(duì)輸入范圍有要求 ， 具體實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜 ,而且轉(zhuǎn)化非線性誤差大 ， 帶寬只有幾kHz， 不能滿足頻帶要求。此外 ， 由于采用多級(jí)放大 ，電路穩(wěn)定性差 ， 容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。其內(nèi)部由無源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成 ， 加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)經(jīng)衰減后 ， 由固定增益放大器輸出 ， 衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定 ； 而這個(gè)參考電壓可通過單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并控制 D/A 芯片輸出得 到 ， 從而實(shí)現(xiàn)較精確的 控制 。它由 CMOS 電流開關(guān)和梯形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 ,具有結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線簡化等特點(diǎn) ， 故可以采用 AD7520 來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的程控。 方案二 為了易于實(shí)現(xiàn)最大 60dB 增益的調(diào)節(jié) ， 可以采用 D/A 芯片 AD7520的電阻權(quán)網(wǎng)絡(luò)改變反饋電壓進(jìn)而控制電路增益。 第二章 設(shè)計(jì)方案及論證 7 增益放大模塊設(shè)計(jì)方案 方案一 簡單的放大電路可以由三極管搭接的放大電路實(shí)現(xiàn) 為了滿足增益 60dB 的要求 ,可以采用多級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)。因此，當(dāng)想在原功能上擴(kuò)展語音等功能時(shí) SPCE061A 無疑是個(gè)很好的選擇?？赏ㄟ^自身帶的 D/A 轉(zhuǎn)換來控制 系統(tǒng)的 信號(hào)增益。該單片機(jī)還具有 DSP 功能，有很強(qiáng)的信息處理能力，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)到 49MHz，具備運(yùn)算速度高的優(yōu)勢等等。 SPCE061A 是繼 μ?nSP?系列產(chǎn)品 SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款 16位的微控制器。 DDS 目前以其頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、體積小、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛的應(yīng)用于各類電子設(shè)備中。而且結(jié)合了 DDS 技術(shù) ,可以得到很高的低通和高通截止頻率。 方案二 單片機(jī)根據(jù)輸入的參數(shù) ， 控制多路模擬開關(guān) CD4051 對(duì)小信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大 ， DDS 產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖控制開關(guān)電容濾波器 MF10 的 濾波頻率 ， 將相關(guān)參數(shù)在 LCD 上進(jìn)行顯示 。 AT89C52 只有 8KB 的 FLASH 對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)來說稍顯得小了點(diǎn)。該電路由芯片 AT89C52 的 P1 口來控制，由單片機(jī)的 ～ 口及 將數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)器 54HC373 存起來，再送入 MAX262。在掉電方式下，片內(nèi)振蕩器停止工作。 控制模塊 方案比較及選擇 方案一 AT89C52 是一種低功耗、高性能的 CMOS 型 8 位微型計(jì)算機(jī)；有8 KB 的 Flash， 256 B 的 RAM， 32 線 I/O 接 口， 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 6 向量兩級(jí)中斷， 1 個(gè)雙工串行口；具有片內(nèi)自激振蕩器和時(shí)鐘電路等標(biāo)準(zhǔn)功能。通過 單片機(jī) 軟件設(shè)計(jì)可以精確的控制 各種 濾波器的傳遞函數(shù)。 鍵盤 AT 89 C 52 單片機(jī) LCD 顯示DDSCD 4051放大電路MF 10示波器顯示 圖 22 基于 AT89C52和 DDS技術(shù)的程控濾波器方框圖 方案三 采用凌陽單片機(jī) 控制 MAX262 專用程控濾波器芯片的 設(shè)計(jì)方案 如圖 23 所示，為方案三的 設(shè)計(jì) 方框 流程 圖。單片機(jī)根據(jù)輸入?yún)?shù)控制用放大器的外接電阻和開關(guān)電容濾波器的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)輸入小信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大、低通和高通濾波處理。 圖 21 基于 89C52和 FPGA的程控濾 波器方框圖 CPU FPGA 程控放 大模塊 待測單元 MAX262 信號(hào)輸入 鍵盤 顯示 16 位 A/D 時(shí) 鐘 減幅電路 第二章 設(shè)計(jì)方案及論證 5 方案二 基于 AT89C52 單片機(jī)和 直接數(shù)字合成芯片 DDS 的設(shè)計(jì)方案 如圖 22 所示，為方案二的 設(shè)計(jì) 方框 流程 圖?；?于 AT89C52 單片機(jī)和FPGA 模塊 ,利用 MAX262 芯片 ,實(shí)現(xiàn)了包括濾波參數(shù)設(shè) 制 ，濾波模式選擇，LCD 顯示輸出等功能的濾波器設(shè)計(jì)。每個(gè)模塊共有三個(gè)方案，通過各方案的比較選取最佳方案。方案設(shè)計(jì)部分將 確定的最佳 方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并給出具體 的 方案設(shè)計(jì)流程圖。 第二章 設(shè)計(jì)方案及論證 4 第二章 設(shè)計(jì)方案及論證 本章包括方案論證和方案設(shè)計(jì)兩部分。 (5) 放大器的電壓增益為 60dB，輸入信號(hào)電壓振幅為 10mV；增益 10dB 步進(jìn)可調(diào)，電壓