毕业设计（论文）-基于单片机的程控滤波器设计.doc

摘 要在电子电路中，滤波器是不可或缺的部分，其中有源滤波器更为常用。一般有源滤波器由运算放大器和RC元件组成，对元器件的参数精度要求比较高，设计和调试。也比较麻烦。美国Maxim公司生产的可编程滤波器芯片MAX270可以通过编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，且滤波的特性参数如中心频率、品质因数等，可通过编程进行设置，电路的外围器件也少。本文设计并实现了由MAX270构成的程控滤波器电路设计和实现。单片机AT89S52是控制程序的控制过滤器的核心。通过单片机控制继电器的吸合来控制增益电阻的连接进而实现了增益的0dB到60dB每10dB步进可调；通过单片机控制二阶低通程控滤波器MAX270，完成了在-3dB时截止频率fc在1kHz20kHz范围内可调的低通滤波器的设计，调节截止频率步进为1kHz，并用LCD来显示设置参数。应用Matlab计算椭圆滤波函数的传递函数，建立电路网络，设计出了四阶椭圆低通滤波器。关键词：程控滤波器 可编程滤波器芯片 单片机ABSTRACT In the electronic circuit, the filter is the indispensable part. Especially the active filter is used more commonly. Generally the active filter is composed of the operational amplifier and the RC part. Its requirement to the accuracy of the devices parameter is quite high, and the design and the debugging are also quite troublesome.The filter chip MAX262 which produced by American Maxim Corporation is capable of achieving low-pass, high-pass, band-pass, band elimination to each kind of low-frequency signal through programming, and the filters characteristic parameter like center frequency, the quality factor and so on may set through programming, and the periphery component of electric circuit are also few. This article design and completed the design the design and realize of the program control filter circuit which make up of the MAX270. Monolithic integrated circuit AT89S52 is the control core of the program control filter. Controlled by the microcontroller to control relays pull the gain resistor connected in turn to achieve a gain of 0dB to 60dB 10dB step adjustable each; second-order low-pass through the SCM programmed filter MAX270, when completed in the-3dB cutoff frequency fc at 1kHz 20kHz range adjustable low-pass filter design, cut-off frequency adjustment step is 1kHz, using the LCD to display the configuration parameters. Application of Matlab computing elliptic filter function of the transfer function, the establishment of the circuit network, to design a fourth-order elliptic low-pass filter. Key words: Program control Filter Programmable filter chip SCM目 录1 绪 论11.1 滤波器的发展11.2 课题研究的意义12 系统设计32.1 滤波器相关知识32.1.1 滤波器的分类32.2 单片机相关知识42.2.1 单片机的产生与发展42.3 系统方案设计62.3.1设计要求62.3.2 各模块方案的选择62.3.3 最终方案72.4 理论分析与计算103 硬件设计133.1 放大器模块133.2 单片机控制滤波器模块143.3 操作及显示模块184 软件设计204.1 开发软件及环境简介204.1.1 Keil204.1.2 Proteus204.2 系统主要程序215 系统测试235.1 指标测试235.2 误差分析235.3 功能实现24结 论26谢 辞27参考文献28附 录29大连交通大学信息工程学院2011届本科生毕业设计（论文）1 绪 论1.1 滤波器的发展从广义上讲，任何对某些频率（相对于其他频率来说）进行修正的系统称为滤波器。严格地讲，对输入信号通过一定的处理得到输出信号，这个处理通常是提取信号中某频率范围内的信号成分，把这种处理的过程称为滤波。实现滤波处理的运算电路或设备称为滤波器。在电子电路中，滤波器是不可或缺的部分，其中有源滤波器更为常用。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛。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。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。我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时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、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，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发展有一段距离。1.2 课题研究的意义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。较低精度的滤波器在使用时会造成很多的不良后果，世界各国纷纷对滤波器提出了不同要求并制订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。传统的滤波器功能较为单一，调节精度也不高，人机界面不够完善，而且经常跳变，使用起来麻烦比较多。随着集成电路技术的不断发展，目前已经有高阶专用的开关电容滤波器芯片，但价格较高，电路噪声也不能让人满意，此外还存在信号混叠等问题。程控滤波系统是针对目前滤波器的不足研发的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和认为参与的缓解参数，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。程控滤波系统具有以下明显优点：（1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使滤波器的智能化程度更高，性能更完美；（2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路；（3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统或不同型号的产品，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可；（4）容易进行对系统的功能进行扩展，由于系统采用的是程控芯片，主控芯片外围接口丰富，扩展功能很方便。2 系统设计2.1 滤波器相关知识滤波器早已被公认为是各种电子产品的重要部件，其主要功能是作为各种电信号的提取、分隔、抑止干扰。随着电子技术的飞速发展，电子产品的应用领域发生日新月异的变化，电子产品门类级应用频段的不断扩展，各种电子设备之间的干扰也日趋严重，因而滤波器不但是确保电子产品本身能正常可靠工作的重要部件，而且是电子产品之间减少互相影响、维持正常工作环境的重要器件。它是一种而端口网络，具有选择频率的特性，即可以让某些频率顺利通过，而对其他的频率则加以阻拦。在雷达、微波、通讯等部门，多频工作越来越普遍，对分隔频率的要求也越来越高，所以需要大量的滤波器。随着集成电路的的迅速发展，近几年来，电子电路的构成变化非常大，电子设备日趋小型化。原来为处理信号所不可缺少的LC型滤波器，在低频部分逐渐被有源滤波器和陶瓷滤波器所替代，高频部分也出现了许多新型的滤波器，如螺旋振子滤波器、微带滤波器、交指型滤波器等等。滤波器时能是有用频率信号通过同时抑止或大幅衰减无用频率信号的一种电子装置。滤波技术在计算机测控技术、通信、数据采集等领域均有广泛应用。如在通讯领域中，为获得最高信噪比所设置的匹配滤波器和为减少基带传输过程中的码间串扰所设置的均衡器；在数据采集中设置的限带抗混叠滤波和D/A转换后的平滑滤波；以及在语音识别的研究中，为提取语音频谱而设置的带通滤波器组等。一般有源滤波器都是由运算放大器和RC元件组成，通过改变RC网络参数来改变频率特性。采用运算放大器和可切换元件参数的RC网络，可以用同一组电路组成各种频率特性的滤波器，但对元器件的参数要求比较高，电路复杂，分布参数较大，截止频率精度不高，滤波器特性一旦设定调节较为困难，因此对于一些输入信号频率和幅度动态范围很宽或需要灵活变换通带并保证截止精度的场合使用大为不便。2.1.1 滤波器的分类1.按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。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：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：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：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：抑制一定频段的信号，允许该频段以外的信号通过。3.按所采用的元器件分为有源和无源滤波器两种。无源滤波器：仅由无源元件（R、L和C）组成的滤波器，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，多级相联时互相影响很小，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。2.2 单片机相关知识2.2.1 单片机的产生与发展单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是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。标准的单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。 单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。1. SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。2. MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。 3. SoC即系统级芯片（System on Chip）阶段，也称片上系统,意指它是一个产品,是一个有专用目标的集成电路,其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。 1971年Intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一 。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）其中4004（下图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。 1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。 1973年Intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。1976年Intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。自单片机诞生至今，单片机技术已经发展了40年，已经深入到了各个领域。工业测控、计算机网络和通讯技术、智能仪表、日常生活及家用电器、办公自动化等等，从最基本的日常生活家用电器、智能仪器仪表直到工业控制领域，单片机都发挥着十分重要的作用。不难看出，为了满足不断增长的自动化测量、控制的要求，单片机今后的发展趋势将是大容量化、高性能化、外围电路内装化。像各种工业对象的电气接口、驱动的功率接口、通讯网络接口等等，这些接口性能的发展体现在：高速I/O能力；中断处理能力；A/D、D/A转换的速度和精度；位操作能力；功率驱动能力；程序运行监控能力；信号实时出力能力；PWM输出等。由此可见，单片机将向高性能、高速、高可靠性、低电压、低功耗、低噪声、低成本的方向发展。2.3 系统方案设计2.3.1设计要求本课题基于单片机集成可编程滤波器芯片的程控滤波器设计有很重要的意义。当输入信号幅度变化时，通过前级的程控增益放大模块实现对增益的精确控制，最终使输出信号幅度基本保持稳定；而对于输入信号频率的改变，借助单片机可编程滤波器芯片的同时，用简单的外围期间来辅助，采用编程数据来完成RC网络的切换，通过单片机变成对各种低频信号实现通、高通（带通、带阻以及全通）滤波处理，而且滤波的特性参数，如中心频率、品质因数等也可以根据不同的应用场合进行设置，提高了滤波器的性能和指标的同时，也有效避免了传统有源滤波器电路滤波特性参数精度不高、电路复杂、设计和调试麻烦等问题，可以很好的应用于信号频率及幅度在宽范围内变化的场所，操作方便，性能优良。本次设计一个程控滤波器，放大器增益可设置，低通或高通滤波器通频带，截止频率等参数可设置。滤波器为有源滤波器，并可按一定程序设置通频带及截止频率等。主要研究内容与拟解决问题如下：1.放大器增益0dB到60dB每10dB步进可调，放大器输出电压无明显失真；2.滤波器设置为低通滤波器，其-3dB时截止频率fc在1kHz20kHz范围内可调，调节截止频率步进为1kHz；3.电压增益与截止频率的误差均不大于10%；4.有设置参数显示功能，用LCD来显示设置参数。2.3.2 各模块方案的选择依据题目要求，系统主要可分为可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器、幅频特性测试仪和显示部分五个模块。为实现各模块的最优设计，分别做了几种不同设计方案的对比论证。 (1)增益控制模块 方案一：使用数字电位器和普通运算放大器组成放大电路。通过控制数字电位器来改变放大器的反馈电阻实现可变增益。此方案硬件实现比较简单，但是限于数字电位的精度比较低，档位有限，很难实现对增益的精确控制，同时数字电位器本身带有对通过信号的带宽限制，在运放环路中会影响整个系统的通频带宽。 方案二：采用精密数字电位器和仪表放大器AD620连接通过改变数字电位器的阻值来实现增益的调节，可以精确的调节增益且精度高。此方案可以较精确的控制电压增益，便于单片机控制，同时降低干扰和噪声，满足设计要求，但成本较高。方案三：采用分立电阻，通过单片机控制继电器的通断来实现运算放大器与增益电阻的连接来实现增益控制。此方案符合题目要求，易于实现，对增益的控制也较精确。 (2)滤波模块方案一：采用分立元件设计滤波器。对电阻，电容的精度要求高且截止频率不易调节。方案二：通过单片机对现有的集成的截止频率可调的滤波器来实现题目的要求。实现起来精度高，且易于调试。 (3)椭圆滤波器模块 方案一：采用分立元件+普通运放实现。实现四阶椭圆低通滤波器可以通过两级级联低通带阻滤波器实现。该方案的优点是电路简单易于实现，不足之处在于电路设计精度很难保证。方案二：采用集成的开关电容滤波芯片。由于此种芯片滤波器的截止频率由外部时钟决定，只要有一个稳定的外部时钟，滤波器的截止频率是可以保证精度的，同时，为了校准元件误差，可以通过时钟频率的微调来改变滤波器的截止频率，从而使其准确的达到设计要求。 (4)幅频特性测试仪模块 方案一：用压控振荡器产生扫频信号，以单片机为控制核心，通过A/D、D/A等接口电路，实现到频信号频率的步进调整，数字显示及被测网络幅频特性的数显。此方案利用单片机控制，控制较为灵活，但是压控振荡器产生信号的频率稳定度不够，电路也比较复杂。 方案二：采用DDS产生扫频信号，利用真有效值测量芯片AD637和A/D接口电路实现到频信号频率的步进调整及被测网络幅频特性的数显。DDS产生信号的频率稳定度较高，而且信号频率的步进和信号幅度的控制比较方便。 (5)显示模块方案：采用按键和LCD显示来实现系统的增益、截止频率的适时调节和显示的操作界面。2.3.3 最终方案 （1）增益控制 采用方案三来实现增益控制，符合设计要求。 （2）滤波模块采用方案二，通过单片机对MAX270(up程控滤波芯片)进行控制实现设计要求。 （3）椭圆滤波器模块采用方案二，采用集成的开关电容滤波芯片。 （4）幅频特性测试仪模块 采用方案二，采用DDS集成芯片。 （5）键盘控制及显示模块采用按键和LCD显示来实现系统的增益、截止频率的适时调节和显示的操作界面。最终系统框图如图2-1所示：图2-1 系统框图2.4 理论分析与计算 （1）AD620增益控制实现可控增益放大器部分是以AD620作为核心器件，实现060 dB之间的增益调节。AD620为低噪声精密可变增益放大器，温度稳定性高，其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量由加在增益控制接口的参考电压决定；其增益与控制电压呈线性关系，通过单片机控制，而由D/A转换器产生精确的参考电压来控制增益，从而实现较精确的数控，同时可降低干扰和噪声。程控滤波器部分采用开关电容滤波器实现。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的集成滤波器，其开关电容组在时钟频率的驱动下，可等效成1只与时钟频率有关的等效电阻 R=1/2C fc。其中C为开关电容组的电容,fc为滤波器时钟频率。 增益计算： 放大模块的电路如图2-3所示，该部分是由仪表放大器AD620和模拟开关CD4051共同组成三级放大电路来实现的，通过调节AD620的1脚和8脚之间的电阻值来改变电压增益，电压增益为10dB到60dB。令 则式中G为放大倍数，为控制增益的电阻。 （2）MAX270滤波器截止频率实现 系统采用滤波器MAX270实现低通滤波器。 MAX270包含两个二阶低通滤波器（过度带频率响应斜率近视为-40dB/十倍频程）可分别程控，截止频率1KHz25KHz,96dB动态范围，不需要连接外部元件，可级联，具有低功耗的关断模式.通过7位寄存器（D0D6）发出的数据改变二阶低通滤波器的两个电容值从而改变电路的截止频率fc(Cutoff frequencies)1KHz到25KHz共分128档。 (3)椭圆滤波器的设计四阶椭圆低通滤波器相当于两级二阶低通滤波电路的的组合。其传递函数为：我们采用椭圆形归一化LPF的设计方法，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2-1所示。阻带频率C1（F）C2（F）L3（H）2.03.04.05.06.01.851991.884081.951071.983461.998090.225900.180190.090230.049090.030960.859030.884280.937000.962500.97403表2-1 带内起伏量为1.0db时的元件值 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 ） = 314159 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 =123.79 nFC2（new）= C2（old）/ K =3.0639nFL3（new）= L3（old） K =156.25H (4)幅频特性测试模块AD9851由DDS产生0200 kHz范围内的扫频信号，DDS产生信号的频率稳定度较高，而且信号的频率步进和信号幅值控制方便。DDS以Nyquist时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成。DDS的基本工作原理：每个参考频率fs上升沿到来时，N位的相位累加器值便按照频率控制字K的长度增加一次，输出所得相位值，正弦查找表将相位信息转化为相应的正弦幅度值。在fs和N一定的情况下，输出波形频率由频率控制字K决定。以一定步进循环增加频率控制字K，输出频率变化的扫频信号。 扫频信号通过被测网络后，由AD637检测有效值，即利用各个频点通过网络后的有效值在示波器上显示其幅频特性图。AD637的外围电路简单，而且当输入峰峰值大于2 V时，其测量误差在100 Hz1 MHz的范围内可忽略。DDS原理框图，幅频特性测试模块原理框图如图2-2：图2-2 DDS原理、幅频特性测试模块原理框图3 硬件设计系统主要采用精密放大器AD620和MAX270，以及单片机的控制来实现。3.1 放大器模块AD620特性：放大倍数可设置为11000倍，低价格、低功耗、高精度仪表放大器。它体积小，为8管脚的SOIC或DIP封装；供电电源范围为2.3Vl8V；最大供电电流仅为1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为5OV，最大输入失调电压漂移为lV/。C，最大输入偏置电流为2.0nA。G=10时，其共模抑制比大于93dB 。在1kHz处输人电压噪声为9nv（Hz）1/2，在0.1Hz10Hz范围内输人电压噪声的峰-峰值为0.28V，输入电流噪声为0.1pA/（Hz）1/2 ，G=l时它的增益带宽为120kHz，建立时间为15s。其引脚如图3-1：图3-1 AD620引脚图放大器模块电路如图3-2所示：图3-2 放大模块电路3.2 单片机控制滤波器模块通过AT89S52单片机控制二阶低通程控滤波器MAX270，来完成低通滤波器的设计。 a.AT89S52单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。图3-3 AT89S52引脚图 引脚及功能： P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能：P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入）时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用） P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动 4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚 第二功能：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存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是单片机复位。 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AT89S52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0000H-FFFFH），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：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 b. MAX270主要性能：包含两个二阶低通滤波器（过度带频率响应斜率近视为-40dB/十倍频程）可分别程控，截止频率1KHz25KHz,96dB动态范围，不需要连接外部元件，可级联，具有低功耗的关断模式.通过7位寄存器（D0D6）发出的数据改变二阶低通滤波器的两个电容值从而改变电路的截止频率fc(Cutoff frequencies)1KHz到25KHz共分128档。其引脚图如图3-4：图3-4 MAX270引脚图引脚功能：SHDN：关断控制，低电平时，OUTA，OUTB和OP OUT以及配置驱动均被关断；WR：写控制输入，低电平是，将数据D0-D6写入由地址A0选择的程序存储器中，高电平时数据关断；CS：片选输入，低电平有效；A0：三态地址输入逻辑高电平，选择滤波器A，逻辑低电平，选择滤波器B；D6-D7：7位数据输入。滤波模块的电路如图3-5所示，途中74HC373为八D锁存器，当LE为高电平时，单片机控制地址和数据的信号被锁存在锁存器中，当LE转为低电平时锁存器打开，同时变为低电平控制信号送入MAX270。通过控制MAX270的四条地址线A0-A3、两条数据线D0、D1和一条允许控制线对MAX270进行控制。图3-5 滤波模块电路3.3 操作及显示模块利用单片机控制键盘显示器8279、可编程计数器8254、可编程有源滤波器MAX270。其中8254是3通道16位可编程计数器，计数时钟频率可达10 MHz，可向MAX262提供精确的时钟频率fclkA和fclkB。图3-6 程控滤波器系统框图4 软件设计4.1 开发软件及环境简介 通过使用Keil软件进行前期仿真调试，通过后进行实际电路的连接，并进一步对各个参数进行测试,用Proteus设计电路。4.1.1 KeilKeil 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的特点：1、全功能的源代码编辑器2、器件库用来配置开发工具设置3、项目管理器用来创建和维护用户的项目4、集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用5、所有开发工具的设置都是对话框形式的6、真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器7、高级的GDI(AGDI)接口用在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信。本次设计的汇编语言编程环境就是Keil，由它和仿真软件Proteus关联，进行单片机的仿真和调试。4.1.2 ProteusProteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：1原理布图2PCB自动或人工布线3SPICE电路仿真革命性的特点：1互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型。上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。4.2 系统主要程序 程序流程图如图4-1所示 (1)增益控制程序void inc_av()/增益自增av+=10;if(av60) av=0;switch(av)case 10:db_init();db10=0;break;case 20:db_init();db20=0;break;case 30:db_init();db30=0;break;case 40:db_init();db40=0;break;case 50:db_init();db50=0;break;case 60:db_init();db60=0;break;default:db_init(); (2)滤波截止频率控制void max270(char n)char i; cs=1;wr=1;for (i=0;i2;i+);cs=0;for (i=0;i2;i+);wr=0;for (i=0;i2;i+); P2=n;for (i=0;i2;i+);wr=1;for (i=0;i2;i+);cs=1; 系统主程序见附录。图4-1 程序流程图5 系统测试为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试。5.1 指标测试 1. 增益控制测试 依据据系统要求及实验室现有仪器，我们使用DDS函数发生器TFG2006G、四位半数字万用表DT9205并设计了一些测试用参数，采用多次测试取平均值的方法测试得电压增益如下：表5-1 测试数据及测试结果输入电压增益控制输出电压10.5mv10dB31.5mv10.5mv20dB103.2mv10.5mv30dB314mv10.5mv40dB1048.0mv10.5mv50dB3140.0mv10.5mv60dB10.52v 2. 截止频率测试对于截止频率的测试部分我们采用由DDS函数发生器TFG2006G 改变输入滤波器的频率，通过TDS1000数字存储示波器读取输出波形的衰减程度，采用描点法绘制了本滤波器的Bode图从而确定了-3dB截止频率fc在1kHz20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz。对于椭圆滤波器应用了同样的方法进行测试符合题目的要求。 3. 2fc处放大器与滤波器总电压增益测试在输入电压和截止频率不变的情况下改变输入信号频率测试得输出的电压增益与原输入电压相比不大于30dB。 5.2 误差分析由于放大电路增益的提高是通过改变电阻来提高增益，滤波器截止频率通过单片机发出的数据来改变二阶低通滤波器的参数从而实现截止频率的改变。经过分析其来源主要有以下三个方面： 1.增益误差： （1）电阻的精度引起的的误差，焊接引线存在一定电阻影响，为了减少这些电阻的影响我们使用了滑动变阻器一步步对增益进行调节，且使用固态继电器控制电阻的通断，最大限度的减少了信号传输线电阻引起的误差。 （2）放大器集成运放本身存在的输入失调电压。 2截止频率误差：通过在焊接电路时对电路合理布局对MAX270单独放在一块万用板上，尽可能的减少了电路中的寄生电容和寄生电感。 3波形失真：出于集成运放本身存在的输入失调电压和输入失调电流的影响，及上升速率的影响，对输入信号波形不可避免的有影响，尽管这些误差是不可避免的，但是通过选取合适的走线方式、电源部分加上去耦电容、电阻以后得到的波形是可以很好的满足本题目的要求。5.3 功能实现根据题目要求，本设计实现了所有基本功能，达到了基本指标，并且在许多方面有一定的发挥，现将题目要求与系统实际完成功能列表如下：表5-2 题目要求与系统功能实现基本要求发挥要求实际功能实现输入正弦信号电压10mV，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通频带为100Hz40kHz，输出电压无明显失真电压增益为60dB，信号电压振幅为10mV；增益10dB步进可调，增益误差不大于5%实现滤波器设置为低通滤波器，-3dB截止频率fc在1kHz20kHz范围内可调，调节的步进为1kHz，2fc总电压增益不大于30dB, RL=1kW。 实现增益与截止频率的误差均不大于10%增益误差不大于5%实现有设置参数显示功能无实现 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%。用Matlab软件进行进行了四阶椭圆型低通滤波器电路参数的计算，该计算并进行了在Mulitism仿真，进行了实际电路的连接实现了题目要求。 制作一个简易幅频特性测试仪，扫频输出信号频率变化范围是100Hz200kHz，频率步进10kHz进行了理论分析，且完成了显示模块扫频信号的产生电路（见附录）结 论本设计是基于AT89S52单片机的程控滤波器设计方案，通过可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器、幅频特性测试仪和显示部分五个模块，实现了各项设计要求。前级放大器采用可控增益放大器实现0dB到60