程控滤波器设计毕业论文 开题报告.doc

毕 业 论 文 设 计 开 题 报 告题 目 程控滤波器的设计和制作 学生姓名 郭传涛 学号 0613014116 所在院(系) 电信系 专业班级 电子信息工程专业064班 指导教师 龙光利 2010年 3月10日题 目程控滤波器的设计与制作一、选题的目的及研究意义目的：首先有一定的基础，对系统有所了解，在学校中曾做过基于DDS信号发生器的设计，和题目有相通的地方，相信通过自己的努力可以完成课题，通过制作可以对所学的知识可以更好的掌握。其次是有一定的研究条件，学校提供的创新实验室，里面实验设施比较齐全，元器件种类丰富；研究意义：在射频通信系统中，无论是发射机还是接收机，都需要选择特定频率的信号进行处理，滤除其他频率的干扰信号，这就需要使用滤波电路来分离有用信号和干扰信号。因此，高性能的滤波器对设计一个好的射频通信系统具有重要意义。微带电路由于体积小、重量轻、频带宽、易于与射频电路匹配等优点，近年来在滤波电路中得到了广泛的应用。二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等2.1研究现状：滤波技术是信号分析、处理技术的重要分支。无论是信号的获取、传输，还是信号的处理和交换都离不开滤波技术，它对信号安全可靠和有效灵活地传递是至关重要的。在所有的电子系统中，使用最多、技术最复杂要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定着产品的优劣。所以，滤波技术是极为敏感与热门的课题，对滤波器的研制也历来为各国所重视。1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年美国发明了第一个多路复用系统。50年代无源滤波技术日趋成熟，自60年代起由于微电子技术、信息技术、计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、高稳定性和价廉方向努力，这些成为70年代以后的主攻方向。RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的发展很快，它们被单片集成化。80年代，主要致力于各类新型滤波器性能的研究，并逐渐扩大应用范围。90年代至今主要致力于把各类滤波器应用于各类产品中。我国50年代后广泛使用滤波器，主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产、应用等方面已纳入国际发展轨道，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际上有一段距离。2.2发展趋势：电子工业的发展，对滤波器的性能与功能要求越来越高，要求它们向集成化、智能化与微型化方向发展。随着微电子技术、计算机技术以及生产工艺水平的提高，滤波技术与器件的发展将会出现突飞猛进之势。2.3研究方法及应用领域2.3.1按处理信号类型分类这种分类方法，可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类3个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合3个分类。当然，每个分类又可继续分下去，总之，它们的分类可以形成一个树形结构，如图1所示。但是，实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器，又可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。2.3.2按选择物理量分类滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择(例如PCM制中的话路信号)和信息选择(例如匹配滤波器)等4类滤波器。2.3.3按通频带范围分类滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通5个类别，而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器。2.3.4有源滤波技术与器件有源滤波器由运算放大器、电容与电阻3个部件组成，其中的各个部件都有新型的器件不断出现，主要有以下几种：运算放大器(包括运算跨导、开关电容、开关电流器件等)、负电阻、负电容、负电感、频率变阻器(FDNR)、广义阻抗变换器(GIC)、负阻抗变换器(NIC)、正阻抗变换器(PIC)、负阻抗倒置器(NII)、正阻抗倒置器(PII)、4种受控源。另外，还有病态元件极子和零子，以及90年代出现的可编程数字(FPGA)、模拟(ispPAC)器件及数字信号处理器(DSP)等。1965年由于有了单片集成运算放大器，有源滤波器有了广泛的应用，1978年单片RC有源滤波器问世。运放的增益和相移均为频率的函数，限制了RC有源滤波器的频率范围，一般工作频率为20kHz左右，经过补偿后，工作频率也限制在100kHz以内。为了集成的方便，出现了有源C滤波器，它由C和运放组成。这样容易集成，并且提高了滤波器的精度。但由于运放没有直流反馈通道，稳定性成为了难题。1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用连续的开关电阻(SR)去替代有源RC滤波器中的电阻R，就构成了SRC滤波器，它仍属于模拟滤波器。但由于采用预置电路和复杂的相位时钟，使这种滤波器发展前途不大。总之，以RC有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器或电阻器，体积小，Q值可达1000，克服了RLC无源滤波器体积大，Q值小的缺点。但它有以下问题，大规模集成仍然有困难。(1)理想运放与实际特性的偏差问题；(2)应用线性变换方法制作最少有源元件的滤波器问题；(3)由于元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能问题；(4)由于R存在，集成占芯片面积大，电阻误差大(2030)，线性度差。2.3.4几种新的有源滤波技术及滤波器80年代各种电子电路系统全面大规模集成(LSI)化、超大规模集成(VLSI)化。但滤波器件成为集成化发展的“瓶颈”，RC有源滤波器不能实现LSI化。50年代有人提出SCF的概念，由于当时集成工艺不过关，并没有引起人们的重视，直到1972年，美国Fried先生发表了用开关和电容模拟电阻R，他认为SCF的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无关，这样才引起人们的重视。1979年一些发达国家的单片SCF已成为商品(属于高度保密技术)。现在sc技术已趋成熟。SCF并用MOS工艺加以实现被公认为是80年代网络理论与集成工艺的一个重大突破。当前MOS电容值一般为几pF100pF之内，它具有(10100)106厂v的电压系数和(10100)xlO-6oC的温度系数，这两个系数几乎接近理想的境界。SCF的优点：可以大规模集成、精度高，因为SCF的性能取决于电容之比，而MOS电容之比的误差小于11000；功能多，几乎所有电子部件和功能均可以由sc技术来实现；比数字滤波器简单，因为不需要AD、DA转换；功率小，可以做到10mW。此外还有运算跨导放大滤波、开关电流滤波技术等。sC的应用情况：以声频范围应用为主体，工作频率在100kHz之内；在信号处理方面的应用有：程控SCF、模拟信号处理、振动分析、自适应性滤波器、音乐综合、共振谱、语言综合器、音调选择、语声编码、声频分析、均衡器、解调器、锁相电路、离散傅氏变换等。总之，SCF在仪表测量、医疗仪器、计算机外围设备、机器人、监控系统、数据和信息采集系统等诸多领域都有广泛的应用前景。在我国，1983年清华大学已研制成单片SCF。现在关键是MOS工艺实现SCF及推广应用问题，由于用户还不了解它，在我国SCF的应用还未普及。SCF还有许多课题有待研究：(1)由于运放和控制MOS开关的采样频率所限制，使得SCF只能在音频范围内应用，近年虽然出现无运放的sc电路，但由于采样频率的限制，工作频率最高只在1MHz之内；(2)非零的MOS开关的沟道电阻以及非理想的运放特性，均可使SCF造成误差；(3)开关电容本身的寄生电容将SCF的频响发生畸变；(4)MOS开关与MOS运放的热噪声将使SCF的动态范围受到限制；(5)最终要以MOS工艺来实现的SCF，由于它是时变网络，要想用分立元件精确模拟是不可能的，设计完善的CAD技术是解决这一问题的唯一手段。此外，在灵敏度分析、噪声分析等方面均有许多课题有待研究。2.3.5几种新型数字滤波器(DF)自适应DF最优控制、自适应控制和自学习控制涉及到多参数、多变量的复杂控制系统，都属于现代控制理论研究的课题。自适应DF具有很强的自学习、自跟踪功能。它在雷达和声纳的波束形成、缓变噪声干扰的抑制、噪声信号的处理、通信信道的自适应均衡、远距离电话的回声抵消等领域获得了广泛的应用，促进了现代控制理论的发展。复数DF在输入信号为窄带信号处理系统中，常采用复数DF技术。为了降低采样率而又保存信号所包含的全部信息，可利用正交双路检波法，取出窄带信号的复包络，然后通过AD变换，将复包络转化为复数序列进行处理，这个信号处理系统即为复数DF。它具有MTI雷达中抑制具有卜勒频移的杂波干扰；数字通信网与模拟通信网之间多路TDMFDM信号变换复接等。多维DF在图象处理、地震、石油勘探的数据处理中都用到多维DF(常用二维DF)。多维DF的设计，往往将一维DF优化设计直接推广到多维DF中去。对于模糊和随机噪声干扰的二维图象的处理，多维DF也能发挥很好的作用。此外，还有波DF，它便于实现大规模集成，便于无源和有源滤波网络的数字模拟。对于DF有待研究的课题是：系数灵敏度；舍入噪声和极限环；多维逆归滤波器的稳定性；各种硬件和软件实现DF的研究等等。总之，DF在数字信号处理技术中占有极为重要的地位。2.3.6其它新型滤波器电控编程CCD横向滤波器(FPCCDTF)电荷耦合器(CCD)固定加权的横向滤波器(TF) 在信号处理中，其性能和造价均可与数字滤波器和各种信号处理部件媲美。这种滤波器主要用于自适应滤波；PN序列和Chirp波形的匹配滤波；通用化的频域滤波器以及作相关、褶积运算；语音信号和相位均衡；相阵系统的波的波束合成和电视信号的重影消除等。晶体滤波器它是适应单边带技术而发展起来的。近10年来，晶体滤波器致力于下面的一些研究：实现最佳设计，除具有优良的选择外，还具有良好的时域响应；寻求新型材料；扩展工作频率；改造工艺，使其向集成化发展。它广泛应用于多路复用系统中作为载波滤波器，在收发信中，单边带通信机中作为选频滤波器，在频谱分析仪和声纳装置中作为中频滤波器。声表面滤波器它是理想的超高频器件。其幅频特性和相位特性可以被分别控制，加之它的体积小、长时间稳定性好和工艺简单等特点，通常应用于：电视广播发射机中作为残留边带滤波器；在彩色电视接收机中用于调谐系统的表面梳形滤波器。此外，在国防卫星通信系统中已被广泛采用。声表面滤波器是电子学和声学相结合的产物，而且可以集成。所以，它在所有无源滤波器中最有发展前途。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲方案设计和论证3.1滤波器的方案设计和选择方案一：用电阻、电容以及运放构成，并通过模拟开关选取不同的阻值以实现截止频率的改变。方案二：应用滤波器集成电路辅以简单的外围器件实现，采用MAXIM 公司开发生产的一种可编程通用有源滤波器MAX260/ 261/ 262。方案一中电路使用的元件通常较多，分布参数较大，截门频率精度不高，并且当要求较多时，所需模拟开关必然很多，电路复杂。特别是在应用频率较高时, 元件的杂散电容和运放的频率特性对滤波器的滤波特性有很大影响, 这给设计带来一定的困难。方案二中MAX261由微处理器精确控制其滤波器函数, 构成巴特沃思、切比雪夫、贝塞尔、椭圆函数等类型的低通、高通、带通、带阻和全通滤波器,且均不需要外部元件, 具有电路实现简单、参数调整方便、不受外部参数影响的独特优点。它在程序的控制下, 可以实现滤波参数和滤波参数的动态变化,应用极为方便、灵活。通过比较，本文选择方案二。3.2程控放大器方案设计与选择方案一：采用两级放大器级联，使得电压增益可达到1000倍。采用多个阻值固定的电阻，用继电器切换不同的电阻以实现电压增益可调。方案二：采用高精度集成程控放大器芯片AD603，全带宽（09MHz），该芯片增益由加在增益控制接口的电压决定，通过DA可以程控放大。方案三：采用两级放大器级联，使得电压增益可达到1000倍。而且通过编程改变数字电位器的阻值，实现电压增益调节。方案一中为了达到题目要求，实现多个放大倍数，需要多个电阻，而且要使用较多的继电器，电路设计比较麻烦，且增益离散度大；方案二采用高精度可编程放大器，电路无需外围器件，放大倍数精度高，带宽增益积符合系统要求。 方案三，采用普通的放大器芯片，采用级联的方式便可以实现全带宽 （040kHz）内,但增益放大倍数不易控制。 3.3简易幅频特性测试仪方案设计与选择正弦波发生采用DDS信号发生器AD9833，通过程序控制产生不同频率的扫描时钟。在进行幅频特性测试的时候，上述电路产生的输出波形送程控放大器，放大器输出经MAX261滤波后经过峰值保持电路，最后给主控芯片STC12C5A60S2进行AD转换，STC12C5A60S2通过串口送入上位机显示信号幅值，通过程序控制不断控制扫描频率输出，同时采集输出信号幅值，将对应的频率和采集信号幅值在对数坐标系下描绘成曲线，便可以实现简易的幅频特性曲线。3.4控制系统的方案设计与选择方案一：采用89C52/51单片机系统；方案二：采用新一代兼容51指令的高速片上系统单片机STC12C5A60S2. 通过上述系统方案概述可知该系统比较复杂庞大，需要的IO口较多，且需要AD等功能，传统的C51单片机集成度低，IO口少，片上资源匮乏，不利于实现复杂系统的设计。STC12系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。它在一块芯片上集成了一个单片机控制系统所需要的几乎所有模拟及数字外设，资源丰富，控制功能强大，开发环境简单易用，很容易构成单片机控制系统，所以本系统选择方案二。3.5系统总体框图 ROUTIN液晶STC12C5A60S2放大器键盘AD9833DAMAX262放大器四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1 李朝青.单片机原理及接口技术.北京：北京航空航天大学