可编程滤波器的设计.doc

目录第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 滤波器的发展11.3 滤波器的分类1第2章 方案的设计和论证22.1 设计要求22.2 方案的设计22.2.1 程控放大器设计方案 22.2.2 低通和高通滤波器设计方案 32.2.3 椭圆滤波器设计方案 3第三章 单元模块设计43.1 阻抗变换和放大器电路设计43.2 低通和高通滤波器电路设计53.3 椭圆滤波器电路设计7第四章 软件设计84.1 开发软件介绍84.2 程控放大软件设计84.3 滤波程序设计84.4 主程序清单9第五章 系统仿真测试105.1 系统整机测试105.1.1 程控放大仿真和测试 105.1.2 程控滤波测试 115.1.3 椭圆滤波测试 115.2 误差分析12第6章 结论13致谢13参考文献14英文摘要15附录一17附录二18可编程滤波器的设计摘要：本文介绍了一种可编程控制的滤波器，能够实现低通、高通和椭圆滤波。滤波器通带、截止频率等参数可通过编程设置。硬件以单片机AT89C52为核心控制，放大器采用AD603，可以实现增益步进放大。滤波芯片采用可编程滤波器芯片MAX262实现，MAX262能够实现低通和高通滤波而不需要外围电路。本系统设计简单，能很好地实现滤波器的程控，使用方便，具有较高的性价比、实用性和使用价值。关键词：放大器 滤波器 单片机 程控2010届电子信息工程专业毕业设计(论文)第一章 绪论1.1 课题背景及意义从广义上来说，凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器，在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛，从某种意义上来说滤波器的发展进程就代表了电子业的发展进程，在所有的电子部件中，使用最多、技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。我国的电子行业还处于发展阶段，相对于发达国家我们还有不小的差距，所以我们必须投入更大的努力改变这一现状。随着滤波系统在各类电子装置中的普遍使用，普通的滤波器在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。低精度的滤波器在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对滤波器提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。传统滤波器功能单一，调节精度不高，人机界面不友好，而且经常跳变，使用麻烦。随着集成电路技术的发展，目前已有高阶专用的开关电容滤波器芯片，但其价格高，电路噪声也不尽如人意，此外还存在信号混叠问题。程控滤波系统是目前滤波器的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。1.2 滤波器的发展1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致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飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。1.3 滤波器的分类滤波器的种类很多，分类方法也不同。从功能上分：低通、带通、高通、带阻。从实现方法分：FIR、IIR。从设计方法分：Chebyshev(切比雪夫)，Butterworth（巴特沃斯）。从处理信号分：经典滤波器、现代滤波器。第二章 方案的设计和论证2.1 设计要求设计一个可编程控制的滤波器，并可以对输入的小信号进行放大。（1）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，通频带为 100Hz40kHz，放大器输出电压无明显失真。 （2）滤波器可设置为低通滤波器， 其-3dB截止频率在 1kHz20kHz 范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1k。 （3）滤波器可设置为高通滤波器， 其-3dB截止频率在 1kHz20kHz 范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1k。 （4）电压增益与截止频率的误差均不大于10%。 （5）制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏1dB，-3dB 通带为 50kHz，要求放大器与低通滤波器在 200kHz 处的总电压增益小于 5dB，-3dB通带误差不大于 5%。2.2 方案的设计2.2.1 程控放大器设计方案程控放大器的增益，一般有两种途径，一种是改变反相端的输入电阻，另一种是改变负反馈电阻阻值。方案一：采用模拟开关或继电器作为开关，构成梯形电阻网络，单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而改变放大器的增益。此方案的优点在于简单，缺点是电阻网络的匹配难以实现，调试很困难。方案二：用DAC的电阻网络，改变电阻的方法，电流输出型DAC内含R-2R电阻网络，可以作为运放的反馈电阻或输入电阻，在DAC输入数据的控制下，实现放大器增益的程控改变。该方案的优点无需外接精密电阻，增益完全由输入的数字量决定，就可以对信号进行放大或衰减，使用方便；缺点是信噪比较低，通频带较窄。方案三：非易失性数字电位器改变电阻，克服了模拟电位器的主要缺点，无噪声，寿命长，阻值可程控改变，设定阻值掉电记忆。该方案优点是增益范围宽，占用P口少，成本低。通频带取决于运放的通频带。图2-1 反馈放大器方案四：采用程控放大芯片，单片机通过芯片的控制接口对芯片进行编程，实现增益的步进放大，而且可以设定其增益值。采用集成可变增益放大器AD603作增益控制，AD603是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB，满足题目要求的精度，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，因此可以很方便地使用D/A输出电压控制放大器的增益。在本题中，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通频带为100Hz40kHz，放大器输出电压无明显失真。由于输入信号幅值很小，所以我们选用方案四。2.2.2 低通和高通滤波器设计方案滤波器设计有很多种，但主要分为数字滤波电路和模拟滤波电路。方案一：以集成运放为核心的有源RC滤波电路或无源滤波网络，结构简单，所需元件较少，成本低，且电路输入阻抗高、输出阻抗低，并有专门的设计仿真软件，可以在阻带实现很大的衰减。但这种滤波器的阻容参数固定以后中心频率就不可以再调节，无法实现程控。 图2-2 无源和有源滤波网络方案二：采用实时DSP或FPGA数字滤波技术。数字信号处理灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效滤波，但不适合高增益弱信号检测。要进行高效率的滤波，需要D、DA 具有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度。 方案三：采用专门的开关电容滤波集成芯片。MAX262 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，功能强大，易于掌控。故选用此种方案。2.2.3 椭圆滤波器设计方案 方案一：采用椭圆形归一化LPF的设计方法，改设计方法能够满足题目的要求，而且电路结构简单，容易实现。 方案二：利用运放借助现有的Filter解决软件，直接借助软件给出的电路，做适当的调整就可以实现4阶低通椭圆滤波器。应用Matlab计算椭圆滤波函数的传递函数，建立电路网络，设计四阶椭圆低通滤波器。比较两个方案，考虑实现的难易程度，我们选择方案一。第 3 页 共 19 页第三章 系统电路设计本系统以52单片机作为主控单元，将设计任务分为放大器，低通滤波器，高通滤波器，椭圆滤波器，人机接口单元等功能模块。放大器用AD603组成两级串联的放大电路。单片机通过AD603的放大控制引脚控制放大器放大倍数。滤波器在单片机控制信号作用下在低通，高通，椭圆三种工作方式的切换。低通和高通滤波电路采用模拟开关，单片机通过控制模拟开关的通断频率，来实现截止频率的调节。本系统还设计了良好的人际交互接口，实现了键盘实时控制。如图3-1所示。阻抗变换电路程控放大低通滤波高通滤波椭圆滤波单片机控制电路键盘图3-1 系统原理框图3.1 阻抗变换和放大器电路设计为输入缓冲和增益控制电路， 由于AD603的输入电阻只有100，要满足输入电阻大要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。故采用高速低噪声AD811芯片作为前级放大，实现前级放大的同时起到了提高了输入阻抗，抑制输入噪声作用。作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护。输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放AD811放大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到AD811 的电压峰峰值不超过其极限（2V），如图3-2。这样提高了输入阻抗，大大减小输入对电路的影响。图3-2 前级阻抗变换AD603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。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很小。图3-3 AD603放大电路3.2 低通和高通滤波器电路设计滤波电路采用MAX262 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。由于内部参数的选择，单片机电路负责向MAX262输入控制信号和数据。MAX262主要由放大器,积分器,电容切换网络(SCN)和工作模式选择器组成.积分器,电容切换网络(SCN)和工作模式选择器分别由编程数据M0M1,和控制.MAX262内部有两个二级滤波器,滤波器A和B可以单独使用,也可级联成四阶滤波器使用.芯片的使用非常灵活,但它们均受同一组编程数据的控制。MAX262芯片的工作频率为1Hz140kHz.当时钟频率为4MHz,工作模式选择为模式3时,芯片可以对140kHz的输入信号进行滤波处理.其它工作模式的最高工作频率为100kHz.滤波器A和B可以采用内部时钟,也可以采用外部时钟.外部时钟分别从芯片的引脚CLKA,CLKB引入,对外部时钟无占空比要求.如果要对更低频率的信号进行滤波处理,可采用MAX260芯片,它的工作频率为0.01Hz7.5kHz.输入的低频信号可以直接送到MAX260芯片的输入端(即INA或INB引脚),输入信号的幅度范围为0V+5V.。MAX262芯片有三个编程参数:中心频率,Q值和工作模式。中心频率由编程数据控制,共64个不同的二进制数据,每个数据对应一个时钟频率与中心频率的比值/.在系统实现时,可以采用查表的方法获得编程数据. 工作模式由编程数据、控制,分别对应工作模式1、2、3和4。模式1可以实现低通,带通和带随滤波;模式2基本与模式1相同,只是该模式可以获得最高的Q值;模式3是唯一可以实现高通滤波的模式;模式4才能实现全通滤波,它和模式3也可以实现低通和带通滤波。 编程参数,Q值和工作模式确定以后,只要将相应的编程数据装入MAX262芯片内部的寄存器,滤波器的类型和频率特性也就确定了。 图3-4 MAX262连接原理图3.3 四阶椭圆型低通滤波器椭圆滤波器特点是幅值响应在通带和阻带内都是等波纹的，对于给定的阶数和给定的波纹要求，椭圆滤波器能获得较其它滤波器为窄的过渡带宽，就这点而言，椭圆滤波器是最优的，其振幅平方函数为 （3.1）式中，RN（，L）为雅可比椭圆函数，L是一个表示波纹性质的参量。 我们采用椭圆形归一化LPF的设计方法，电路图5所示。我们选择带内起伏量为1.0db阻带频率为通带频率的4.0倍。带内起伏量为1db时，阻带内有一个限波点的椭圆型归一化LPF的设计数据如 表1（见附录一） 所示。待设滤波器截止频率与基准滤波器截止频率的比值M为：M = 50k / （ 1 / 2 ） = 3.14159图3-5 椭圆滤波电路对基准滤波器的所有元件值除以M，得到截止频率已变换成待设计滤波器的截止频率160khz时的元件参数。C1（new）= C1（old）/ M =6.31355FC2（new）= C2（old）/ M =156.258nFL3（new）= L3（old）/ M =3.06374H 待设滤波器的特征阻抗与基准频率器特征阻抗的比值K为：K = 51 / 1 =51 将所有的电感元件值乘以 K ，将所有的电容值除以 K 。这样，便得到了待设计的特征阻抗为51，且截止频率为50K的四阶椭圆滤波器。C1（new）= C1（old）/ K =123.79nFC2（new）= C2（old）/ K =3.0639nFL3（new）= L3（old） K =156.25H第四章 软件设计4.1 开发软件Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。4.2 程控放大软件设计当上电复位后单片机放大器进行初始化，如果键盘有键按下，则进入增益预置状态，键盘输入完成后，单片机把得到的值通过D/A转换把控制电压加到AD603的增益控制端。图4-1 程控放大流程图4.3 滤波程序设计上电初始化后，滤波器初始化，默认滤波器处于低通状态，等待滤波器模式选择，选中滤波器模式后，就可以进行截止频率设置。图4-2 程控滤波流程图4.4 主程序清单#include#include#include#define nop _nop_()#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid main() uchar i; f=20,q=30; for(i=0;i=250;i+); for(i=0;i=250;i+); Filter(1,f,q,1); while(1) switch(key() case 0: break; case 1: if(f0) f=f-1; else f=63; f=f+0.5; Filter(1,f,q,1); break; case 3: if(q0) q-; else q=127; Filter(1,f,q,1); break; 第五章 系统仿真测试5.1 系统整机调试5.1.1 程控放大仿真和测试测试方案：输入电压振幅为10mv，调节放大倍数，分别测量输出电压。表一 前级放大倍数测量预测放大倍数输出电压（100hz）输出电压（1khz）输出电压（10khz）输出电压（40khz）实际放大倍数误差 0db 7.19mv7.19mv7.19mv7.19mv 1.042 1.03% 10db 22.2mv22.2mv22.2mv22.2mv 3.217 1.80%20db 69mv6 9mv 69mv 69mv 100 0.00% 30db 220mv 220mv 220mv 220mv 31.88 0.88% 40db 662mv 650mv640mv 624mv 91.3 8.70% 50db 2.09 2.09 2.05 1.92mv 290.5 8.12%60db 6.70 6.60 6.40 4.40 8043 20%经测得，在50db以下时，通带包含100 Hz40khz，60db通带在100-37.5khz。增益10dB步进可调，放大器输出电压无明显失真。 图5-1 放大器仿真5.1.2 程控滤波测试测试方法：根据截至频率的定义，我们取通带电平下降到-3db的频率点，并分别测出信号频率为高通截止频率一半，低通截止频率二倍，放大电路增益为40dB时，总体电路的增益，电路数据使用交流毫伏表测量。表二 低通特性 程控放大增益为40db预测频率实际频率（2fc处系统总增益）误差1khz996hz29.970.40%5khz4.96khz29.830.80%10khz10.02khz29.830.20%15khz15.00khz29.230.00%20khz20.01khz29.230.05%表三 高通特性 程控放大增益40db预测频率实际频率（0.5fc处系统总增益）误差1khz1.16K29.9916.00%5khz5.00K29.230.00%10khz10.02K29.230.20%15khz15.04K29.230.27%20khz19.90K29.230.50%5.1.3 椭圆滤波测试。在输入端接入函数信号发生器，保持输入信号的有效值为0.5v，改变信号的频率，测量输出信号的有效值。表四 椭圆滤波测量数据 Vi = 0.5v频率Vo（v）100Hz05001KHz050010HHz052430KHz070850KHz036251KHz0355椭圆滤波器的截止频率为51KHz，带内起伏1dB。前级放大电路的输出端接入椭圆滤波器，放大电路的输入端接信号发生器，放大电路的增益设为40dB，信号频率设为200KHz，分别用交流毫伏表测量输入输出电压的有效值，测得输入电压为0.695v，输出电压为0.795v。总电压增益小于5dB。5.2 误差分析通过对仿真得到的电路进行参数校正，本系统得到了很好的指标参数。但是仍然存在着对理论分析的较大误差，基本有如下分析：（1）校准时使用信号发生器产生20mV信号，信号的信噪比很差，噪声功率的干扰会造成误差的引入，同理幅频特性测试仪的信号源也是一样。（2） 校准时使用的晶体管毫伏表本身是机械表，会造成相对较大的误差，同时读数时人眼也引入的较大的误差。（3）本题目中模拟电路相对较多，进行调试时会综合各方面对电路进行补偿，针对题目要求进行平衡，也会造成一部分的误差。（4）电源的使用往往是电路噪声引入的关键，尤其是小信号的测量第6章 结 论本系统以单片机为核心部件，利用单片机的控制功能并配合软件算法实现了，对放大电路和滤波电路的控制功能，最终使本设计完成了要求的各项任务。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，满足了系统设计要求。致谢语经过近段时间的努力，在王老师的精心指导和帮助下我终于实现了题目给出的全部要求，同时由于时间很紧张，系统还不是很完善，比如说很多图形的显示不是很人性化，虽然懂得椭圆滤波器是几种滤波器的叠加结果但是没有充足的时间推演和制作，但是通过实践，我巩固了理论知识是我最大的收获。本文从拟定题目到定稿，历时数月。而今论文完成打印之时，我思绪万千，心情久久不能平静。回忆我在重庆三峡学院应用技术学院学习的四年中，最令我难忘的是我的老师们，各位老师治学严谨，学识渊博，品德高尚，平易近人，在我学习期间不仅传授了做学问的秘诀，还传授了做人的准则。这些都将使我终生受益。无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。借此机会我向导师表示衷心的感谢！同时，我要感谢应用技术学院授课的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。我也要感谢我的母校重庆三峡学院，是它提供了良好的学习环境和生活环境，让我的大学生活丰富多姿，为我的人生留下精彩的一笔。另外，感谢应技院2010届电子工程系全体同学的帮助和勉励。同窗之谊和手足之情，我将终生难忘！参考文献1 蒋瑜, 陈循, 杨雪, 阮启明. 基于MAX262的程控滤波器的实现J. 电测与仪表, 20002 邓重一. 基于可编程芯片MAX262的有源滤波器J. 单片机与嵌入式系统应用 , 20053 倪向东. 单片机控制的双路有源滤波器设计J. 电子技术应用 , 2002,(01)4 张飞岭, 张永瑞. 基于MAX262的可程控多频点带通滤波器的设计J. 电子科技 , 20075 马玲. 程控放大与程控滤波电路设计J. 电子工程师 , 1999,(08) . 6 菅维乐,姜威.可编程开关电容通用滤波器MAX260/261/262J. 国外电子元器件 , 20037 潘松，黄继业.EDA技术实用教程M.北京：科学出版社.2002.8 第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2001)M. 北京:北京理工大学出版社.2003.9 张友汉.电子线路设计应用手册M.福建：福建科学技术出版社.2000.10 张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术M.北京：国防工业出版社，2003.11 冯涛，王程.可编程逻辑器件开发技术M.北京:电子工业出版社，2002.12 王振红，张斯伟.电子电路综合设计实例集萃M.北京：化学工业出版社，2008.2010届电子信息工程专业毕业设计(论文)Programmable Filter DesignWang YuGrade 2006Major in electronic information engineeringSchool of Applied TchnologyChongqing Three Gorges University Wanzhou Chongqing 404000Abstract：This paper presents a programmable control of the filter can achieve low-pass, high pass and elliptical filter. Pass-band filter, cut-off frequency and other parameters can be programmed settings. AT89C52 microcontroller as the core hardware to control, amplifier using AD603, the gain can be achieved step amplification. Filter chip programmable filter chip MAX262 to achieve, MAX262 can achieve low-pass and high-pass filter without the need for external circuitry. The system design is simple and can achieve a good filter program-controlled, easy to use, has a high cost, practicality and value.Keywords：Amplifiers filter MCU program control附录一系统原理图附录二单片机c程序清单/*程控滤波函数*/ MCU - MAX262 P0.3P0.0 - A3A0 P0.5P0.4 - D1D0 P1.0 - WR/*/#include#include#include#define nop _nop_()#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define fclk 1.5 /2Mhz 即2000khz，和后面0.637恰好抵消小数部分sbit WrMax261=P10;void Filter(uchar way,float f,float q,uchar whichone);void TransFilter(uchar ContrData);uchar Fn(float f);uchar Qn(float q);#define duankou P2 /定义4*4键盘端口 uchar code tem