程控滤波器设计报告

1、111100443 朱明贵 111100423 刘奕兰综合课程设计报告 程控滤波器指导老师：林旭班级：信通4班 姓名：朱明贵 学号：111100443 同组：刘奕兰 学号：1111004231、设计题目程控滤波器2、设计简介（1）、任务 设计并制作程控滤波器，其组成如图所示。放大器增益可设置；低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。图1程控滤波器组成框图（2）、要求1）. 基本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，通频带为100Hz40kHz，放大器输出电压无明显失真。滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在2kHz10kHz范围内可

2、调，调节的频率步进为2kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1kW。滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在2kHz10kHz范围内可调，调节的频率步进为2kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1kW。电压增益与截止频率的误差均不大于10%。有设置参数显示功能。2. 发挥部分放大器电压增益为60dB，输入信号电压振幅为10mV；增益10dB步进可调，电压增益误差不大于5%。3、方案论述（1）放大器方案论证与比较方案一：采用模拟开关和通用放大器实现。放大器采用反向比例放大的接法进行多级级联，通过用单片机控制模拟开关切换不同的反

3、馈电阻，从而达到放大倍数步进可调的要求。此方案电路结构比较简单，但电路原件数目庞大，控制复杂。方案二：采用可控增益放大器实现。用两块放大倍数为-10dB30dB的可控增益放大器AD603级联的方式实现-20dB60dB增益步进可调。满足基本部分和发挥部分要求，电路简单，易于控制，故选此方案。（2）滤波方案论证与比较方案一：采用基于FPGA的数字滤波器实现采用“A/D转换->FPGA/MCU处理->D/A”转换的方法进行数字滤波处理。数字滤波器具有灵活性好，精度高，截止特性好等优点。但是运算量大，需要大量处理器资源编程复杂。方案二：采用MAX262可编程滤波器实现MAX262是可编程

4、通用开关电容滤波集成电路，通过MCU编程控制高通、低通、带通、带阻的工作模式及中心频率和品质因数。此方法电路结构简单，但程序控制稍显复杂。方案三：采用LTC1068时钟控制滤波器实现LTC1068时钟可控多功能滤波器，可以用Linear公司提供的FilterCAD软件进行电路设计，可以得到高通、低通、带通、带阻不同工作模式，可以设计滤波器为巴特沃斯、契比雪夫、椭圆和自定义滤波器模型。由于设计电路方法简单，控制简单，故选此设计方案。（3）MCU控制方案论证与比较方案一：采用STC89C51系列单片机实现51系列单片机开发环境成熟，且易于上手。但是因为滤波信号要求精度比较高，51难以实现。方案二：

5、采用STM32系列单片机实现STM32同样具有成熟的开发环境，虽然相对51系列难度有所增加，但是STM32具有高精度，内置高速AD、DA转换，驱动TFT显示屏等功能。故选择此方案。4、系统设计系统级模块组成框图其中我主要是做设计，包括整体的系统构造思路、分模块的软硬件设计；队友主要是辅助，包括查找资料，帮忙查找电路错误。5、模块设计（1）放大器部分放大器部分主要由可变增益放大器AD603、通用放大器OP37、OP07和宽带低失真放大器OPA642组成。其电路原理图如图a和b所示AD603放大部分电路图放大部分总体电路图放大部分总体PCB图（2）滤波部分1）低通滤波器低通滤波器采用两级滤波模块组

6、成的四阶Butterworth低通接法。两级的品质因数分别为Q1=1.3066，Q2=0.5412，电路图如图a所示。幅频特性曲线如图b所示。a低通滤波器电路图b低通滤波器幅频特性2)高通滤波器高通滤波器采用两级滤波模块组成的四阶Butterworth高通接法。两级的品质因数分别为Q1=1.3066，Q2=0.5412，电路图如图a所示。幅频特性曲线如图b所示。a高通滤波器电路图b高通滤波器幅频特性6、系统测试（1）放大部分测试测试方法：放大器部分采用输入信号峰峰值为20mV的正弦信号，测试放大器模块的增益点从0dB60dB，输入信号的频率变化范围在100Hz40kHz的输出电压峰峰值。0.1

7、0.20.41102030400dB10dB20dB30dB40dB50dB60dB（2）低通滤波器测试使用信号发生器产生峰峰值为2V的稳定的正弦波信号接到滤波器的输入端，用单片机控制滤波器的截止频率在1kHz20kHz，调节信号发生器的输出频率，使得滤波器输出信号电压为通带内的0.707倍，记录可得实际fc值和2fc处放大器和滤波器的总增益值。并计算相对误差，测试结果如下图所示。FC设定值/KHz12345678910FC实测值/KHz相对误差%2fc处最大增益/dB FC设定值/KHz11121314151617181920FC实测值/KHz相对误差%2fc处最大增益/dB（3）高通滤波器

8、测试使用信号发生器产生峰峰值为2V的稳定的正弦波信号接到滤波器的输入端，用单片机控制滤波器的截止频率在1kHz20kHz，调节信号发生器的输出频率，使得滤波器输出信号电压为通带内的0.707倍，记录可得实际fc值和0.5fc处放大器和滤波器的总增益值。并计算相对误差，测试结果如下图所示。FC设定值/KHz12345678910FC实测值/KHz相对误差%2fc处最大增益/dB FC设定值/KHz11121314151617181920FC实测值/KHz相对误差%2fc处最大增益/dB6、测试结果及其分析 7、设计总结通过本题的具体设计，我们对程控滤波器的整体设计原理及所要用到各类芯片

9、有了一个系统的认识和掌握，可谓受益匪浅。当然在设计过程中，我们还发现一些问题和不足，比如在方案论证方面，对于多个可实现同一功能的方案我们犹豫不决。通过查阅大量资料及团队探讨，我们最终选择了最易实现的方案。参考文献1电子技术基础， 康华光等， 高等教育出版社 2数字信号处理， 张立材等， 北京邮电大学出版社 3十六为单片微处理器原理及应用， 张培仁等， 清华大学出社4电子系统设计， 俞承芳等， 复旦大学出版社 5MATLAB通信仿真及应用实力详解， 邓华等， 人民邮电

10、出版社 6凌阳单片机在大学生电子竞赛中的应用，凌阳科技大学计划，北京航空航天大学出版社 7Electronic Circuit Analysis and DesignDonald A.Neamen，Publishing House of Electronics Industry 附录一、 电路图原理图实物图二、 源程序放大控制部分#ifndef _DAC_H#define _DAC_H #include "sys.h" void Dac1_Init(voi

11、d);/回环模式初始化 void Dac1_Set_Vol(u16 vol);#endif#include "dac.h"#include "stm32f10x_dac.h"/DAC通道1输出初始化void Dac1_Init(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;DAC_InitTypeDef DAC_InitType;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE ); /使能PORTA通道时钟 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_

12、APB1Periph_DAC, ENABLE ); /使能DAC通道时钟 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4; / 端口配置 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; /模拟输入 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);/PA.4 输出高DAC_InitType.DAC_Trigger=DAC_T

13、rigger_None;/不使用触发功能 TEN1=0DAC_InitType.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None;/不使用波形发生DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude=DAC_LFSRUnmask_Bit0;/屏蔽、幅值设置DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable ;/DAC1输出缓存关闭 BOFF1=1 DAC_Init(DAC_Channel_1,&DAC_InitType); /初始化DAC通道1DAC_Cm

14、d(DAC_Channel_1, ENABLE); /使能DAC1 DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, 0); /12位右对齐数据格式设置DAC值/设置通道1输出电压/vol:03300,代表03.3Vvoid Dac1_Set_Vol(u16 vol)float temp=vol;temp/=1000;temp=temp*4096/3.3;DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,temp);/12位右对齐数据格式设置DAC值按键部分#ifndef _KEY_H#define _KEY_H #include "sy

15、s.h"/#define KEY0 PEin(4) /PE4/#define KEY1 PEin(3)/PE3 /#define KEY2 PEin(2)/PE2/#define KEY3 PAin(0)/PA0 WK_UP #define KEY1 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_6)/读取按键1 左移 +#define KEY2 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_3)/读取按键2 右移-#define KEY3 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_4)/读取按键

16、3 “+”#define KEY4 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_5)/读取按键4 “-”#define KEY5 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_9)/读取按键5 RESET1#define KEY6 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_10)/读取按键6 RESET2/#define KEY_LEFT 1/#define KEY_RIGHT2/#define KEY_UP3/#define KEY_DOWN4void KEY_Init(void);/IO初始化u8 K

17、EY_Scan(u8); /按键扫描函数 #endif#include "key.h"#include "sys.h" #include "delay.h" /按键初始化函数void KEY_Init(void) /IO初始化 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG,ENABLE);/使能PORTG时钟/初始化KEY0->GPIOA.13,KEY1->GPIOA.15 上拉输入/GPIO_InitStr

18、ucture.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4;/PE24/GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; /设置成上拉输入/ GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);/初始化GPIOE2,3,4/初始化 ->GPIOG.2/3/4/5 上拉输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10;GPIO_In

19、itStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; /PA0设置成输入，默认上拉 GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);/初始化GPIOG.0/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;/GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; /PB0设置成输入，默认上拉 /GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);/初始化GPIOB.0 B.1 /按键处理函数/返回按键值/mode:0

20、,不支持连续按;1,支持连续按;/0，没有任何按键按下/1，KEY0按下/2，KEY1按下/3，KEY2按下 /4，KEY3按下 /注意此函数有响应优先级,KEY0>KEY1>KEY2>KEY3!u8 KEY_Scan(u8 mode) static u8 key_up=1;/按键按松开标志if(mode)key_up=1; /支持连按 if(KEY1=0|KEY2=0|KEY3=0|KEY4=0|KEY5=0|KEY6=0)/delay_ms(10);/去抖动 key_up=0;if(KEY1=0)delay_ms(10);/去抖动if(KEY1=0)while(!KEY1

21、);return 1; else if(KEY2=0)delay_ms(10);/去抖动if(KEY2=0)while(!KEY2);return 2;else if(KEY3=0)delay_ms(10);/去抖动if(KEY3=0)while(!KEY3);return 3;else if(KEY4=0)delay_ms(10);/去抖动if(KEY4=0)while(!KEY4);return 4; else if(KEY5=0)delay_ms(10);/去抖动if(KEY5=0)while(!KEY5);return 5;else if(KEY6=0)delay_ms(10);/去抖

22、动if(KEY6=0)while(!KEY6);return 6; else if(KEY1=1&&KEY2=1&&KEY3=1&&KEY4=1&&KEY5=1&&KEY6=1)key_up=1; return 0;/ 无按键按下CLK信号部分#include "sys.h" #define LED0 PGout(14)/ PG14#define LED1 PBout(5)/ PB0#define RESET_F PEout(5)/ PE5void LED_Init(void);/初始化 #en

23、dif#include "led.h"/初始化PB5和PE5为输出口.并使能这两个口的时钟 /LED IO初始化void LED_Init(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitS

24、tructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; /LED1->E5 端口配置, 推挽输出 GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure); /推挽输出 ，IO口速度为50MHz GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5); /PE.5 输出高 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; / 端口配

25、置, 推挽输出 LED0->b5 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); /推挽输出 ，IO口速度为50MHz GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5); /PE.5 输出高 #ifndef _TIMER_H#define _TIMER_H#include "sys.h"void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc);void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);#endif#include "timer.h"#include &qu

26、ot;led.h"#include "usart.h"#include "stm32f10x_tim.h"/V1.1 20120904/1,增加TIM3_PWM_Init函数。/2,增加LED0_PWM_VAL宏定义，控制TIM3_CH2脉宽 / /通用定时器3中断初始化/这里时钟选择为APB1的2倍，而APB1为36M/arr：自动重装值。/psc：时钟预分频数/这里使用的是定时器3!void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc) TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructur

27、e;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); /时钟使能TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; /设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值 计数到5000为500msTIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; /设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 10Khz的计数频率 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; /

28、设置时钟分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); /根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位 TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE ); /使能指定的TIM3中断,允许更新中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; /T

29、IM3中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; /先占优先级0级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; /从优先级3级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; /IRQ通道被使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); /根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /使能TIMx外设 /定时器3中断服务

30、程序void TIM3_IRQHandler(void) /TIM3中断if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) /检查指定的TIM中断发生与否:TIM 中断源 TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update ); /清除TIMx的中断待处理位:TIM 中断源 LED1=!LED1;/TIM3 PWM部分初始化 /PWM输出初始化/arr：自动重装值/psc：时钟预分频数void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStr

31、ucture;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);/使能定时器3时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); /使能GPIO外设和AFIO复用功能模块时钟GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); /Timer3部分重映射 TIM3_CH2-