【正文】 案的選擇 4 本章小結(jié) 6第3章 硬件設(shè)計(jì) 7 微控制器電路設(shè)計(jì) 7 低通濾波電路設(shè)計(jì) 8 顯示控制電路設(shè)計(jì) 10 電源電路設(shè)計(jì) 11 本章小結(jié) 11第4章 軟件設(shè)計(jì) 13 13 程控通道程序設(shè)計(jì) 15 按鍵去抖動(dòng)程序設(shè)計(jì) 15 本章小結(jié) 17第5章 仿真與測(cè)試 18 Multisim電路仿真 18 實(shí)物調(diào)試 21 本章小結(jié) 26結(jié)束語 27參考文獻(xiàn) 28致謝 30附錄 31 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第1章 引 言 研究目的和意義本次課題的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)程控低通濾波器系統(tǒng)，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)是為了讓技術(shù)人員可以在對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理時(shí)能夠可以選擇截止頻率從而方便人員工作。本次設(shè)計(jì)程控低通濾波器系統(tǒng)包含單片機(jī)最小系統(tǒng)、壓控電壓源二階低通濾波器設(shè)計(jì)、電源電路、LCD顯示控制電路，工作人員通過液晶顯示的數(shù)值得知當(dāng)前電路的截止頻率。在電子學(xué)科中對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的要求是很嚴(yán)格的，而在所有的設(shè)備中濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)該是最難的一種了，曾也有人說濾波器的不斷發(fā)展就是電子工業(yè)不斷發(fā)展的一個(gè)縮影，所以濾波器的設(shè)計(jì)是各個(gè)國家在科研投入上最注重的一塊。隨著國家不斷飛速的發(fā)展，在信號(hào)處理領(lǐng)域已從過去的極度落后中脫離出來，現(xiàn)在正在逐漸追趕發(fā)達(dá)國家在這方面的發(fā)展程序，甚至在某些層次上我國的技術(shù)已站在世界科學(xué)技術(shù)的前沿。低通濾波器作為最基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它的相應(yīng)功能的改善和增強(qiáng)是基礎(chǔ)設(shè)備更新必須優(yōu)先進(jìn)行的一個(gè)關(guān)鍵步驟。 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)回顧整個(gè)電子工業(yè)的快速發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，濾波器在其中扮演著非常重要和突出的角色，它是工程技術(shù)人員使用次數(shù)最多、出現(xiàn)頻率最高的儀器設(shè)備[1]。60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，借助于各種新技術(shù)例集成工藝大大進(jìn)步、工程材料復(fù)合型越來越多使得濾波器的設(shè)計(jì)也發(fā)生了非常大的變化。70年代伴隨運(yùn)算放大器的產(chǎn)生，人們?cè)O(shè)計(jì)出了RC有源濾波器、而后又發(fā)明了數(shù)字濾波器等多種多樣類型的濾波器，這時(shí)進(jìn)入濾波器發(fā)展的最快速發(fā)展時(shí)期。這時(shí)濾波器的設(shè)計(jì)趨于穩(wěn)定，重點(diǎn)發(fā)展方向變?yōu)樘岣咴O(shè)備的性能和增加濾波器的使用領(lǐng)域。本課題所設(shè)計(jì)的程控低通濾波器就是根據(jù)這樣的背景而產(chǎn)生的。在后來隨著我國國家實(shí)力和科技能力的逐漸強(qiáng)大，在國家對(duì)科研的重視程度也越來越加強(qiáng)的情況下，國內(nèi)的濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)也逐漸進(jìn)步。但在尖端領(lǐng)域內(nèi)，我國在新型濾波器的設(shè)計(jì)研發(fā)上和國外發(fā)達(dá)國家還有一定的差距，相信隨著國家的不斷進(jìn)步，人才的不斷培養(yǎng)，在以后一定會(huì)達(dá)到和發(fā)達(dá)國家一樣的先進(jìn)科技水平。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個(gè)分類；離散濾波器可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個(gè)分類。本次課題設(shè)計(jì)的程控濾波器很難歸類于哪一類。 本設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容本課題是以AT89LV52單片機(jī)為核心控制器，通過電壓跟隨器隔離輸入信號(hào)與低通濾波器這二者前后級(jí)之間的影響，單片機(jī)通過引腳控制CD4051模擬開關(guān)，繼而選擇不同截止頻率的低通濾波電路接通的電容值，通過LM358運(yùn)放和電容值構(gòu)成有源二階低通濾波器[7]，最后利用LCD將截止頻率值進(jìn)行顯示。（4）選擇的電路模式和截止頻率要通過LCD液晶進(jìn)行顯示。第3章主要介紹了硬件的部分，包括單片機(jī)核心控制電路、電壓跟隨器、有源二階低通濾波電路、程控CD4051模擬開關(guān)和LCD液晶顯示。第5章主要是程序的調(diào)試，運(yùn)用Multisim軟件進(jìn)行電路的仿真，并描述了實(shí)物調(diào)試的過程。具體的實(shí)現(xiàn)如下：(1)接入到電路中的不同電容，與LM358運(yùn)放構(gòu)成濾波電路；(2)單片機(jī)控制著模擬開關(guān)，使得不同的電容通過觸發(fā)按鍵接入到電路中，從而生成不同截止頻率的濾波電路[9]；(3)整個(gè)程控低通濾波器的設(shè)計(jì)分為50Hz、100Hz、1000Hz三種截止頻率；(4)選擇的電路模式和截止頻率要通過LCD液晶進(jìn)行顯示。方案一：采用無源LC濾波器。參照濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)上的相關(guān)參數(shù)，可以比較容易的設(shè)計(jì)出理想的濾波器[11,12]。在這種有源濾波電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合單片機(jī)技術(shù)通過軟件程序的方式去實(shí)現(xiàn)不同數(shù)值電阻電容接入同一個(gè)濾波電路，實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)除了單片機(jī)之外還要利用模擬開關(guān)CD4051進(jìn)行不同通道不同電容值的切換[15]。雖然方案一具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段廣泛用于現(xiàn)代器件設(shè)計(jì)中，但由于濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對(duì)某些次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象等因素，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器[17]。通過方案一與方案二的對(duì)比可以看出，方案二能夠很好地實(shí)現(xiàn)此次課題設(shè)計(jì)的所有功能要求，在電路設(shè)計(jì)中也要比方案一簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)的效果也比方案一更好，所以本次設(shè)計(jì)最終選用方案二。首先是通過按鍵的方式選擇相應(yīng)的模式即截止頻率數(shù)值，然后單片機(jī)接收到命令后通過引腳高低電平的不同分配去控制模擬開關(guān)CD4051的不同通道選擇[20]，電路中一共用到兩個(gè)模擬開關(guān)，第一個(gè)開關(guān)是選擇正相輸入端的接入電容，第二個(gè)開關(guān)是選擇反饋單元中的接入電容[21]。 本章小結(jié) 本章首先介紹了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，并給出了兩種設(shè)計(jì)方案通過對(duì)比最終選擇了方案二，然后詳細(xì)分析了整個(gè)系統(tǒng)的組成單元和每個(gè)單元要實(shí)現(xiàn)的功能及目的。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)之前需要先進(jìn)行截止頻率的計(jì)算，然后才能選定好各電子器件數(shù)值。 微控制器電路設(shè)計(jì)微控制器是整個(gè)程控低通濾波器中程控部分實(shí)現(xiàn)的核心，也是整個(gè)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)中心控制電路，所以這部分的電路是非常重要的。本次設(shè)計(jì)選用的是STC89c52RC單片機(jī)，這款微控制器有著低電壓、低功耗、性能強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理速度快等功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于大多數(shù)情況復(fù)雜的控制應(yīng)用電路。~，內(nèi)部Flash為8K、RAM為512字節(jié)。這部分的設(shè)計(jì)主要要考慮到單片機(jī)的性能，所擁有的I/O引腳是否夠此次設(shè)計(jì)的使用，因?yàn)樵诖舜卧O(shè)計(jì)中要使用到三個(gè)按鍵、三個(gè)模擬開關(guān)的控制端、十個(gè)左右的液晶顯示端和單片機(jī)最小系統(tǒng)需要的晶振、復(fù)位按鍵等。微控制器作為系統(tǒng)的控制核心，其性能對(duì)系統(tǒng)完成后的整體性能影響很大，所以選擇一個(gè)合適的微控制器是設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)。本次設(shè)計(jì)我選擇了二階sallenkey低通濾波器，：有源二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為： ()濾波器的性能參數(shù)表達(dá)式為： () ()增益為： ()在這里我讓放大倍數(shù)Av =1，即R0開路，Rf短路，此時(shí)，Q=。為了減少模擬開關(guān)的個(gè)數(shù)，本次設(shè)計(jì)我取電阻不變，只改變電容值的做法，取電阻R1=R2=10KΩ，則根據(jù)公式：C1=2C2，計(jì)算求得：當(dāng)C1=300nF、C2=150nF接入電路時(shí)，截止頻率為50Hz；當(dāng)C1=110nF，C2=51nF接入電路時(shí)，截止頻率為100Hz；當(dāng)C1=15nF，C2=，截止頻率為1000Hz。在此次的課題設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)不同截止頻率選擇的功能電路是由CD4051模擬開關(guān)去控制的，在這個(gè)電路環(huán)節(jié)中模擬開關(guān)和電壓跟隨器、運(yùn)放共同組成了二階低通濾波電路的設(shè)計(jì)。接下來電阻再通過一個(gè)并聯(lián)電容直接接入到運(yùn)放輸出端形成一個(gè)正反饋電路，這樣形成回路后將信號(hào)輸出至電壓跟隨器然后在OUT處接入示波器觀察濾波器處理后的信號(hào)波形。在這里就需要進(jìn)行不同電容值之間的正確切換，所以就需要用到模擬開關(guān)去實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，在本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的模擬開關(guān)是CD4051它有著使用簡(jiǎn)單功能強(qiáng)大反應(yīng)迅速等特點(diǎn)。在具體的工作實(shí)現(xiàn)中是通過輸出高低電平給A、B、C然后選擇對(duì)應(yīng)的通道，例如輸入三個(gè)000低電平就會(huì)選擇輸出通道0，輸入001兩低一高電平就會(huì)選擇輸出通道1。 顯示控制電路設(shè)計(jì)在整個(gè)選擇截止頻率不同的濾波電路時(shí)是通過按鍵實(shí)現(xiàn)的，但在實(shí)際應(yīng)用中有一個(gè)不方便的地方就是按鍵給工作人員帶來的感覺不直觀，不能讓使用者一看就明白此時(shí)電路處于哪個(gè)模式、截止頻率為多少。 液晶顯示電路液晶有三個(gè)控制端8個(gè)數(shù)據(jù)線，三個(gè)控制端RS、進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸同時(shí)單片機(jī)可以通過程序軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶的控制，液晶的亮度是通過其一個(gè)引腳接滑動(dòng)電阻連接電源來控制的，接入的電阻值越大液晶越暗，通常是把電阻值調(diào)到最小讓液晶處理最亮的狀態(tài)。通常這樣直觀的顯示可以讓使用者感覺更直觀，用戶體驗(yàn)度更好。在電路中加入了很多的電容進(jìn)行退耦來降低電源的紋波減少干擾，得到帶有微小波紋電壓的電壓。 本章小結(jié)本章是屬于硬件電路的設(shè)計(jì)，主要介紹系統(tǒng)控制核心單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)成和程控電路環(huán)節(jié)是如何通過與單片機(jī)的配合實(shí)現(xiàn)不同截止頻率的選擇與設(shè)計(jì)，接著介紹了液晶顯示部分顯示的工作模式和截止頻率數(shù)值，最后介紹電路需要的供電電源設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中單片機(jī)用到的語言是C語言，這種語言的優(yōu)點(diǎn)是靈活易使用，操作性強(qiáng)，程序表達(dá)簡(jiǎn)潔，執(zhí)行效率高[26]。同時(shí)，軟件采用UART串口的形式進(jìn)行程序下載。在按鍵控制信號(hào)的采集過程中，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行按鍵去抖動(dòng)程序處理，保證信號(hào)輸入的準(zhǔn)確性避免出現(xiàn)按一次多次響應(yīng)的錯(cuò)誤，在本設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)要通過引腳輸出的高低電平命令實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬開關(guān)CD4051的輸出通道口的選擇。在整個(gè)的程序設(shè)計(jì)中主要分為三部分的程序流程設(shè)計(jì)，他們分別對(duì)應(yīng)整體設(shè)計(jì)程序流程、程控通道程序設(shè)計(jì)、按鍵去抖動(dòng)程序設(shè)計(jì)。 總體程序設(shè)計(jì)在程序設(shè)計(jì)中首先需要對(duì)整體的流程框圖有一個(gè)大體的理解，通過整體的理解后再去細(xì)化每一環(huán)節(jié)應(yīng)該執(zhí)行的功能。接下來進(jìn)入判斷環(huán)節(jié)，這個(gè)步驟的作用是選擇程控濾波電路的工作模式和對(duì)應(yīng)的截止頻率數(shù)值。 程控