程控滤波器范文

程控滤波器范文程控滤波器范文 程控滤波器 范文题目程控滤波器 D题 作者张龙唐晓庆蒋冀辅导 教师王淑娟老师摘要本系统以C8051F020高性能单片机为控制核心 采用可编程滤波器芯片MAX261实现可编程高通 低通滤波器 在满 足系统要求截至频率设置1kHz 20kHz 频率步进1kHz的基础上 可 以实现任意截至频率设置 采用二级运放级联的方法 通过单片机设置数字电位器阻值而改变 放大倍数 可以实现增益程控可变 电路简单 设置灵活 变化范围为10dB 60dB 增益步进10dD 本系统应用DDS原理 采用CPLD设计了正弦波发生器 能够产生的波 形频率范围为200Hz 200kHz 频率步进200Hz 产生的波形良好 失 真度小 利用系统自带的频率发生器 实现了简易的幅频特性测试仪 通过 串口将数据发送至上位机 并在上位机绘制了幅频特性测试曲线 系统具有液晶显示 键盘输入等功能 人机交互界面良好 关键词C8051F020程控滤波器程控放大器MAX261DDS CPLD幅频特性测试人机交互1 方案设计与论证1 1滤波器方案设计 与选择方案一用电阻 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 1 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 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 但是芯片价格昂贵 带宽增益积小 频率较高的正弦波在高 增益下的放大倍数误差较大 无法满足系统要求 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 0 40kHz 内 增益放大倍数的要求 通过程序控制数字电位器 改变放大倍数便可以实现多种放大倍数 灵活简单 因此本文选择 方案三 1 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原理 应用CPLD实现小数分频 通过单片机预置设置分频系数 产生不同 频率的扫描时钟 将要输出的波形数据预先存在E2PROM单元中 然 后在系统标准时钟频率下 按照一定的顺序从E2PROM单元中读出数 据 在进行D A转换 滤波就可以得到所设定频率的输出波形 改变标准时钟频率 就可以改变输出波形的频率 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C8051进行AD转换 C8051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 1 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 SOC 单片机C8051F02 0 辅助CPLD协助控制 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 C8051FXXX系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片 具有与80 51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 1 5系统总体框图图1程控滤波器系统框图2 理论分析与计算2 1放 大器分析与计算 1 输入信号先经过跟随放大器以增加输入阻抗 2 电压增益最高达60dB 所以采用两级运放级联的方案 两级放 大器放大倍数的分配原则是尽可能在误差范围允许内平均分配放大 倍数 通过计算本系统选择的前后级放大倍数如表2 1所示 3 在器件选择上 为了在较高频率段达到较好的放大效果 采用 高带宽运放AD817 考虑到该芯片输入阻抗较小 在设计中 加入电 压跟随器保证输入阻抗 表1程控放大器放大倍数分配表2 2程控滤波器分析与计算MAX261的 每个器件含有两个独立的二阶滤波器 在程序控制下设置滤波器中 心频率 Q值和工作方式 根据要求选择方式3 实现不同截止频率的低通 带通 高通的滤波 器 方式3中fCLK fc 64 NF 2 1 Q 64 128 NQ 2 HH0 707HfC ffP fHOP HOLPPC图2低通频率特性曲线设计步骤如 下 1 计算滤波器Q值由图2 1可知令HOP HOLP 得Q 0 707 对应NQ 64 2 通过输入的截止频率计算时钟频率fCLK值由于NF 0 63 所以不 同的截止频率需要不同的时钟频率fCLK 如下表所示2 3幅频特性分 析仪分析与计算在系统实现上在CPLD内部 利用十进制BCD码倍率乘 法器74167对系统晶振 运用原理图编程的方法 采用三片74167级联的方案 便可以实现0 999分频 通过改变频率控制字 就可以改变输出波形的频率 输出频率fData fo clk 3 1001000式中 fclk 20MHz Data 频率控制字 Data 0 999 由公式可知该系统可以实现的最小输出频率是200Hz 最大输出频率 为200kHz 频率步进200Hz 三 硬件电路与软件设计3 1放大器设计电路图3程控放大器电路图3 2波形发生电路的设计图4波形发生电路图3 3单片机最小系统的设 计图5单片及最小系统图3 3系统软件流程图图6单片机软件流程图 四 测试方案与测试结果4 1测试方案4 1 1电压增益测试方法方法 一利用示波器观察输入 输出信号幅值 读取示波器视数 其值之 比极为电压增益 方法二万用表测量输入 输出信号的有效值 计算输出信号有效值 与输入信号有效值之比 即为电压增益 4