测控技术与仪器 毕业论文范文——增益和参数可设置的程控滤波器的设计

增益和参数可设置的程控滤波器的设计摘要介绍了一种以AT89C52为控制核心，利用MAX262实现的新型程控滤波器，-3dB截止频率在1到40KHz范围内可调。仔细论述了系统的硬件组成、各功能部分的设计，给出了关键功能部分的电路图、单片机的程序设计。系统在实际应用中，工作稳定可靠。分析了CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器MAX262中心频率f0、品质因素Q和工作方式，以及采用MAXIM滤波器设计软件补偿偏离连续连续滤波器参数的方法。介绍了自动控制系统中基于MAX262的程控滤波器的设计原理及流程，给出了具体的电路及程序。详细说明了MAX262的f0和Q编程、振荡器和时钟输入、微处理器接口。对MAX262进行可调节控制，本作品操作便捷、控制简单、界面友好，用单片机对可编程滤波器芯片MAX262进行程序控制，可以同时对两路输入信号进行二阶低通，高通滤波处理。滤波器的中心频率在1K-20K频率范围内，10mV的输入信号经过放大,进而得到滤波器的输入信号。我们采用仪表放大器来对信号进行放大,仪表放大器AD603通过改变外围电路来改变其放大倍率。关键词：MAX262, AD603, AT89C52, 程控滤波Programmable filter design whose gain and the parameters can be set Abstract This paper introduces a programmable filter untiliazing MAX262，and using AT89C52 as control core, and it can achieve an -3dB cutofff frequency adjustable in 1kHz-40kHz. It describes the hardware composition of the system, the circuit design of all functional part, and gives out the circuit diagrams of main functional parts and the programming of single-chip microcomputer.This system works stable and reliable at actual application.The center frequency f0, Q and work mode of the MAX262 COMS active filter with dual second-order universal switched-capacitor is analyzed. The method for compensting data of the filter with using the design software for MAXIM filter is presented. The design principle and process of digital programmable filter based on MAX262 in automatic detection system, and its circuits and program are introduced. The f0 and Q programming of MAX262, oscillator and clock input, microprocessor interface is studied in detail. This procduction operates conveniently, controls simply, and the interface is good, using singlechip to control the MAX262,which can deal with the import signal of two road,the central frequency of filter is 1K- 20K.because the import signal of 10 mV is enlarged , then it gets a filter of import signal.we adopt the amplifier to enlarge the signal, the AD603 change its zoom out rate by periphery circuit,circle electric circuit to change it enlarge magnification.Key Words: MAX262, AD603, AT89C52, Programmable filter1 绪论1.1 本课题研究的背景及意义滤波是信号处理的一种最基本的重要技术。利用滤波技术可以从接收到的信号中提取有用的信息或信号，抑制或消除无用的或有害的干扰信号。滤波器正是采用滤波技术具有一定传输选择性的信号处理装置。滤波器将抑制信号中不需要的成分，而使其中需要的成分得以传输至输出1,2。因此，滤波器的功能可理解为对输入信号进行某种运算、处理并变换为人们所需要的输出信号。单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中3。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：（1）在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。（2）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。（3）在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。（4）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。（5）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。（6）在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。（7）单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.2 程控滤波器技术的发展史滤波器科学有着悠久的历史，当前正处在高度发展之中，随着电流模式新器件的发展，新的滤波技术也不断发展。近年来，电流传输器滤波器被证明极有发展前途，该技术的点是:高频性能好，输出多功能，利于集成11。未来电流模式电路将成为滤波器发展的主流。最近几十年，滤波器电路已大量渗入现代电子与信息领域的方方面面。在现代通信和信号处理方面，电话、电报、电视、无线电、雷达、声纳和太空人造卫星等只不过是以滤波器作为它们的重要部件的一些例子而己12。超大规模集成电路技术发展的最主要的动力也是来源于制作全集成高质量模拟滤波器的需要。滤波器的发展己经并且还正在日益加速改变计算机、通信、微电子技术、信息科学、控制和机器人等技术的面目13。近二十年来，得到迅速发展的人工神经网络技术就是例证，滤波器正朝着低成本、高集成度、高频信号处理能力和低电源和微功耗等方向发展，在此过程中，出现了许多新型有源滤波器的电路和设计方法。早在19世纪80年代，电阻、电容滤波电路就已经出现。具有频率选择功能的电感、电容谐振回路可作为最简单的滤波器。于1915年德国K.W.华格纳和美国贝尔实验室的G.A.坎贝尔，分别提出关于滤波器的论文，已被世界公认为滤波器的独立发明者。1923年以后，贝尔实验室的O.J.查贝尔提出定K型、m诱导型影像参数滤波器设计方法。1939年德国W.考尔和美国S.达灵顿分别提出工作参数滤波器设计理论。由于许多电路和系统都要区分不同频率的信号，滤波器遂被广泛地用在通信、广播、雷达以及许多仪器和设备中14。许多复杂的多级 LC 滤波器也已经存在了好多年了，有许多这方面的书籍讲述这类滤波器的工作。最古老的电子滤波器形式是使用电阻和电容或者电阻和电感构建的无源模拟线性滤波器，它们分别叫做 RC 和 RL滤波器。人们也开发了一些混合滤波器，典型的例子有将模拟放大器与机械共鸣器或者延时线组合在一起15。如CCD延时线这样的设备也用作离散时间滤波器。由于数字信号处理的广泛应用，有源数字滤波器已经变得常见。1.3 本课题的相关原理1.3.1 滤波器概述（1）按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种4。（2）按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 （3）按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。 无源滤波器：仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。 有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用5。1.3.2 程控滤波器中单片机概述现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地6。 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： （1）低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)7。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合8。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径 （2）微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大9。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。（3）主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机10。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。1.3.3 程控滤波器系统工作原理程控滤波器硬件原理框图如图1.1所示，主要由键盘，LED显示模块、单片机模块、放大器模块，滤波器模块四部分组成。LCD显示放大器滤 波键 盘单片机图1.1 程控滤波器硬件原理框图1.4 本论文的结构安排本设计各章内容安排如下：第一章介绍了课题的研究背景、研究意义以及其国内外研究现状，结合相关的基础理论知识；第二章对总体方案论证，拟定总体实现方案，并对各个部分的相关理论知识加以介绍，同时对相关器件进行比较并作出选择；第三章分析了总体方案中的硬件部分，主要是运用Protel 99绘制电路原理图；第四章分析了总体方案中的软件部分，主要包括编写汇编语言和调试相关程序，并应用Proteus对其进行仿真，得到较为准确的仿真结果。第五章主要对系统的误差进行了分析，并研究了影响同步秒脉冲的主要因素及其提高精度的方法。第六章对本文的研究内容进行了系统总结，并根据课题的要求和国内外的现状，分析了课题的前景。1.5 本章小结本章主要介绍了课题的研究意义及背景，简单介绍了程控滤波器的国内外发展史，最后介绍了本论文的主要设计工作和章节安排。2 总体方案的概述及其各个部分原理的介绍程控滤波器具有很多优点。事实上，如同一般滤波器一样，程控滤波器现在在现实社会中被人们广泛使用。但在现实生活中，为了取得更高精度的滤波效果我们需要对各部分硬件芯片合理选择。本章我们主要研究芯片相应功能，应用各模块相应硬件芯片实现具有较高精度的程控滤波器。2.1 系统方案的设计通过对程控滤波器相关原理的学习，查阅滤波器的背景知识以及单片机的相关资料，针对本课题的要求，我们可以采用各种符合要求的芯片完成对程控滤波器的设计，整个原理框图如图2.1所示： 图2.1 程控滤波器设计总体框图其基本工作过程为：放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，经过放大模块中放大倍数受单片机控制的两级AD603放大后，下一步就可以输入滤波模块。放大模块输出的信号直接接到MAX262滤波芯片的信号输入端，在单片机的协助下对放大后的信号按要求进行高通和低通滤波然后输出。至于是低通还是高通以及剪切频率的大小都由与单片机连接的矩阵键盘输入，并且在LCD1602显示屏上显示操作。本系统由放大模块、滤波模块、键盘和显示模块组成，并用protel 99绘出电路图。整体原理图在附录A中给出。2.2 硬件控制核心部分在本系统设计中，按照设计要求程控就需要有单片机。而且单片机应该是连接整个系统所有部件的控制核心。下面介绍一下在此系统设计时所用单片机AT89C52。AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。2.2.1 AT89C52各引脚功能及管脚电压 AT89C52P为40 脚双列直插封装8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻16。P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。 P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器时，P2 口输出P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。2.2.2 特殊功能寄存器在AT89C52 片内存储器中，80H-FFH 共128 个单元为特殊功能寄存器（SFE）。并非所有的地址都被定义，从80HFFH 共128 个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0 和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2 的控制和状态位位于T2CON、T2MOD，寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2 在16 位捕获方式或16 位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。2.2.3 数据存储器AT89C52 有256 个字节的内部RAM，80H-FFH 高128 个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128 字节RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2 口）地址单元。MOV 0A0H，#data间接寻址指令访问高128 字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0 的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H，而不是P2 口（0A0H）MOV R0，#data堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128 位数据RAM 亦可作为堆栈区使用。定时器0和定时器1：AT89C52的定时器0和定时器1 的工作方式与AT89C51 相同。 2.2.4 Flash存储器的编程AT89C52单片机内部有8k字节的Flash PEROM，这个Flash 存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程19。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM 编程器兼容。AT89C52 单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息。AT89C52 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM 程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。2.2.5 编程方法AT89C52 编程方法如下：（1）在地址线上加上要编程单元的地址信号。（2）在数据线上加上要写入的数据字节。（3）激活相应的控制信号。（4）在高电压编程方式时，将EA/Vpp 端加上+12V 编程电压。（5）每对Flash 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG 编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。重复15 步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。2.2.6 数据查询AT89C52 单片机用Data Palling 表示一个写周期结束为特征，在一个写周期中，如需读取最后写入的一个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，所输出的数据是有效的数据，即可进入下一个字节的写周期，写周期开始后，Data Palling 可能随时有效18。Ready/Busy：字节编程的进度可通过“RDY/BSY 输出信号监测，编程期间，ALE 变为高电平“H”后，P3.4（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。编程完成后，P3.4 变为高电平表示准备就绪状态。程序校验：如果加密位LB1、LB2 没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据。加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。芯片擦除：利用控制信号的正确组合并保持ALE/PROG引脚10mS 的低电平脉冲宽度即可将PEROM 阵列（4k字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需再编程之前进行。读片内签名字节：AT89C52 单片机内有3个签名字节，地址为030H、031H 和032H。用于声明该器件的厂商、型号和编程电压。读AT89C52 签名字节需将P3.6 和P3.7 置逻辑低电平，读签名字节的过程和单元030H、031H 及032H 的正常校验相仿，只返回值意义如下:（030H）=1EH 声明产品由ATMEL公司制造,（031H）=52H 声明为AT89C52单片机,（032H）=FFH 声明为12V编程电压,（032H）=05H 声明为5V编程电压。2.3 本章小结 在整个程控滤波器系统中，单片机是作为一个领导者连接和控制着从放大、滤波到输入和显示所有模块，所以在本章中把作为单独一章来介绍单片机体现了单片机在整个系统至关重要的作用。3 系统硬件设计在上一章中介绍了单片机这个控制核心，下面本章我来介绍一下单片机具体控制系统设计中的关键芯片来达到设计任务的要求。3.1 放大模块中运放芯片的选择 按照设计任务要求，在原始信号输入后，进入滤波器模块之前，必须对信号进行放大后才能进行滤波，否则会对滤波效果产生很大影响。因此，放大芯片AD603是本设计中必不可少的一部分。3.1.1 程控放大芯片AD603 AD603的特点、内部结构和工作原理 （1）AD603的特点 AD603是美国AD公司继AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控VGA芯片。可用于RF/IF系统中的AGC电路、视频增益控制、A/D范围扩展和信号测量等系统中。 （2）AD603引脚排列及极限参数AD603的引脚排列如图3.1所示。AD603的极限参数如下：电源电压Vs：7.5V；输入信号幅度VINP：+2V；增益控制端电压GNEG和GPOS：Vs；功耗：400mW；工作温度范围：AD603A：-4085；存储温度：-65150。 （3）AD603内部结构及原理AD603内部结构图如图3.1所示17。AD603由一个可通过外部反馈电路设置，固定增益GF（31.0751.07）的放大器、0-42.14dB的宽带压控精密无源衰减器和40dB/V的线性增益控制电路构成。 AD603利用了X-AMP由一个0-42.14dB的可变衰减器及一个固定增益放大器构成。其中，可变衰减器由一个七级R-2R梯形网络构成，每级的衰减量为6.02dB，可对输入信号提供0-42.14dB的衰减。X-AMP结构的一个重要优点是优越的噪声特性，在1MHz宽带，最大不失真输出为1Vrms时，输出x信噪比为86.6dB。连续控制下的输入增益控制计算。图3.1 AD603原理图 AD603的简化原理框图如图3.1所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成20。图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50M，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图3.2中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样。当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10，这时的增益范围在-1030dB。当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为1050dB21。 （4）工作原理概述信号从精密无源梯形网络的输入端输入，对输入信号的衰减量由高阻（50兆欧）低偏流差分输入的增益控制电路的控制电压VG（VGPOS-VGNEG）决定，即由VG控制梯形网络的“滑动触点”至相应的“节点”处，可实现0-42.14dB的衰减。 固定增益放大器的增益GF通过VOUT与FDBK端连接形式确定，当VOUT与FDBK端短路连接时，GF=31.07dB；当VOUT与FDBK之间开路时，GF=5.07dB；在OUT与FDBK之间外接意的电阻REXT，可将GF设置为31.0751.07dB之间的任意值。值得注意的是，在该模式下其增益精度有所降低，当外接电阻为2千欧左右时，增益误差最大27。若在VOUT与FDBK端连接一个电阻可获得一个稍高的增益，最大增益约为60dB。该放大模块设计采用两片AD603顺序连接，两极间以电容耦合。由于一片AD603在已定制的模式下增益为-10dB30dB，带宽为90 MHz，故级联方式可使增益达到-20dB60dB，控制电压为0V2V。该控制电压由单片机控制8位A/D转换器ADC0832产生，其精度可达2 V/256=0.0078125V。增益精度可达0.3125dB。因此，完全可满足系统发挥部分中增益40dB，步进10dB的要求。增益控制的核心电路由可变增益运算放大器AD603和精密运算放大器ADOP37组成。其中以AD603为核心辅以外围电路实现程控放大器，其增益与控制电压成线性单片机控制D/A输出控制放大增益。其电路原理图如图3.2所示。图3.2 程控放大模块原理图3.1.2 数模转换芯片DAC0832由于本设计中要求放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，所以D/A转化芯片是必须要有的。在此选择DAC0832作为以单片机输出来控制AD603放大倍数的转换芯片。DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成22。在此模块中DAC0832是主要的程控芯片，利用其数模转换功能来控制介绍的上一芯片来达到程控的目的。也就是要实现增益40dB，步进10dB可调。因此，这个数模转换芯片实在整个系统中必不可少的。下面介绍一下该器件的资料以及电路原理方面的知识。DAC0832内部结构资料:芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接，下面是芯片电路原理图如图3.3。 图3.3 DAC0832引脚图DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器23。如图3.4所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟量V0为：图3.4 DAC0832内部结构图由上式中描述模拟量可见，输出的模拟量与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。以下为DAC0832引脚接法：D0D7：数字信号输入端；ILE：输入寄存器允许，高电平有效；CS：片选信号，低电平有效；WR1：写信号1，低电平有效；XFER：传送控制信号，低电平有效；WR2：写信号2，低电平有效；IOUT1、IOUT2：DAC电流输出端；Rfb：是集成在片内的外接运放的反馈电阻；VREF：基准电压（-1010V）；Vcc：是源电压（+5+15V）；AGND：模拟地 NGND：数字地，可与AGND接在一起使用。DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压；IN0IN7：8路模拟信号输入端；A2、A1、A0：地址输入端。ALE地址锁存允许输入信号，在此脚施加正脉冲，上升沿有效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，以便进行A/D转换；START：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到达时，内部逐次逼近寄存器复位，在下降沿到达后，开始A/D转换过程；EOC：转换结束输出信号（转换接受标志），高电平有效；OE：输入允许信号，高电平有效；Vcc：+5V单电源供电；VREF(+),VREF(-)：基准电压的正极、负极。一般VREF(+)接+5V电源，VREF(-)接地。由A2、A1、A0三地址输入端选通8路模拟信号中的任何一路进行A/D转换24。3.2 滤波模块运放芯片的选择由于本系统运行过程中，单片机与滤波芯片MAX262以及开关芯片CD4052并不是同步的，所以为了系统的正常工作，必须在MAX262以及CD4052和单片机之间加入缓冲芯片74LS373保证数据的正常传输，使系统按照设计要求正常工作。3.2.1 74LS373八D锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性) 74LS373为三态输出的八D透明锁存器。74LS373为三态输出的8D透明锁存器, 74LS373的输出端O0-O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0-O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0-O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，输出随数据D而变。当LE为低电平时，输出被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV25。 3.2.2 滤波芯片MAX262MAX262是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，由微处理器精确控制滤波函数，可构成各种带通、低通、高通、陷波和全通配置，且不需外部器件。它含2个二阶滤波器，在程序控制下可以设置中心频率f0、品质因数Q和滤波器工作方式。输入时钟频率fCLK与6位中心频率f0编程输入代码一起决定滤波器的中心或截止频率，不影响其他滤波参数。滤波器Q值也可独立编程。每个滤波器的独立时钟输入端可以连接晶体、RC网络或外部时钟产生器。片内开关和电容提供反馈以控制每个滤波器的f0和Q26。内部电容的开关速率是影响这些参数精度的主要因素。尽管这些开关一电容网络(SCN)实际上为采样系统，但它们的特性可与连续滤波器(如RC快速滤波器)的特性相媲美。时钟频率与中心频率之比(fclkf0)保持大值，以便保持理想的二阶状态变量响应。MAX262使用的采样比(fclkf0)范围较MAX260或MAX26l低，因此其工作频率f0和信号带宽较高，中心频率范围可达140kHz。但这也导致它较MAX260MAX26l更偏离理想连续滤波器参数。而这些偏差可采用MAXIM的滤波器设计软件进行补偿28。其结构图如图3.5。图3.5 MAX262结构图MAX262滤波器具有如下特性：微处理器接口64步中心频率控制128步品质因素Q控制独立的品质因素和中心频率编程保证时钟频率对f0比值精度为1(A级)75kHz中心频率范围单+5V或5V电源电压工作如表3.1中M0M1为工作方式,仅在地址为A2A1A0=0000(或1000)时才能写入。F0F5为f0控制字,Q0Q6为品质因数Q的控制字29。D0D1=00时为工作方式1,实现LP(低通)、BP(带通)、N(陷波)功能;D0D1=01时为工作方式2,实现区别于工作方式1的LP(低通)、BP(带通)、N(陷波)功能;D0D1=10时为工作方式3,实现LP、BP、HP(高通)功能D0D1=10时,若使用独立运放OP为工作方式3A,实现有别于工作方式3的LP、BP、HP功能。D0D1=11时为工作方式4,实现LP、BP、AP(全通)功能。MAX262有INA、INB两个信号输入端,允许最大输入电压振幅为4.7 V。表3.1 工作方式设置本系统设计原理图如图3.6。要求滤波器可设置为低通,其-3dB截止频率fC在1 kHz20 kHz调节频率的步进值为1 kHz。而且要求在2fC处滤波器幅频特性下降不小于10 dB;同时滤波器可设置为高通滤波器,其fC范围及步进值与低通模式相同,其要求0.5fC处滤波器幅频特性下降不小于10 dB。将滤波器A设置为工作方式1,滤波器B设置为工作方式3。二阶有源低通滤波器的传递函数为: (为直流增益)。令|GL(s)|为0.707,HOLP处的频率为fC,则。经计算当Q=0.7时,fC=f0,2fC处幅频增益为-12 dB(实测小于-12 dB),满足要求。对于高通滤波器二阶有源高通滤波器的传递函数为：，其中为f近似为fCLK/4时的高通增益。高通滤波时的截止频率与中心频率的关系为。图3.6 滤波模块原理图3.2.3 时钟产生芯片8253 在滤波模块中，时钟信号的产生是十分重要的，所以必须有一个芯片给MAX262提供输入时钟。这样MAX262才能在得到控制字和输入时钟，通过fCLKA/f0计算得到中心频率。 intel8253是NMOS工艺制成的可编程计数器/定时器，有几种芯片型号，外形引脚及功能都是兼容的，只是工作的最高计数速率有所差异，例如8253（2.6MHz）,8253-5(5MHz)30。8253内部有三个计数器，分别成为计数器0、计数器1和计数器2，他们的机构完全相同。每个计数器的输入和输出都决定于设置在控制寄存器中的控制字，互相之间工作完全独立。每个计数器通过三个引脚和外部联系，一个为时钟输入端CLK，一个为门控信号输入端GATE，另一个为输出端OUT。每个计数器内部有一个8位的控制寄存器，还有一个16位的计数初值寄存器CR、一个计数执行部件CE和一个输出锁存器OL。执行部件实际上是一个16位的减法计数器，它的起始值就是初值寄存器的值，而初始值寄存器的值是通过程序设置的。输出锁存器的值是通过程序设置的。输出锁存器OL用来锁存计数执行部件CE的内容，从而使CPU可以对此进行读操作。顺便提一下，CR、CE和OL都是16位寄存器，但是也可以作8位寄存器来用31。8253具有3个独立的计数通道，采用减1计数方式。在门控信号有效时，每输入1个计数脉冲，通道作1次计数操作。当计数脉冲是已知周期的时钟信号时，计数就成为定时。 8253芯片有24条引脚，封装在双列直插式陶瓷管壳内。内部结构图如图3.7。图3.7 8253内部结构图 数据总线缓冲器与系统总线连接，8位双向，与CPU交换信息的通道。这是8253与CPU之间的数据接口，它由8位双向三态缓冲存储器构成，是CPU与8253之间交换信息的必经之路32。读写控制分别连接系统的IOR#和IOW#，由CPU控制着访问8253的内部通道。接收CPU送入的读写控制信号，并完成对芯片内部各功能部件的控制功能。因此,它实际上是8253芯片内部的控制器。A1A0：端口选择信号，由CPU输入。8253内部有3个独立的通道和一个控制字寄存器,它们构成8253芯片的4个端口，CPU可对3个通道进行读写操作3对控制字寄存器进行写操作。这4个端口地址由最低2位地址码A1A0来选择。如表3.2所示。表3.2 8253读写操作地址表 （1）通道选择a.CS#片选信号，由CPU输入，低电平有效，通常由端口地址的高位地址译码形成。b.RD#、WR#读写控制命令，由CPU输入， 低电平有效。RD#效时，CPU读取由A1A0所选定的通道内计数器的内容。WR#有效时，CPU将计数值写入各个通道的计数器中，或者是将方式控制字写入控制字寄存器中。CPU对8253的读写操作如表3.3所示。表3.3 8253读写操作状态表（2）计数通道02每个计数通道内含1个16位的初值寄存器、减1计数器和1个16位的（输出）锁存器。8253内部包含3个功能完全相同的通道，如图3.8所示。每个通道内部设有一个16位计数器，可进行二进制或十进制（BCD码）计数。采用二进制计数时， 最大计数值是FFFFH，采用BCD码计数时。最大计数值是9999。与此计数器相对应，每个通