D程控濾波器設(shè)計(jì)

1、程控濾波器的設(shè)計(jì)（D題）摘 要:隨著電子科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，濾波器系統(tǒng)也要求有新的設(shè)計(jì)思想和觀點(diǎn)，使系統(tǒng)能在可行的條件下得以實(shí)現(xiàn)，而且其功能也達(dá)到更高的指標(biāo)。本系統(tǒng)以51單片機(jī)為控制核心，由信號(hào)放大模塊、有源濾波模塊以及測(cè)試信號(hào)發(fā)生等四個(gè)模塊組成。在前級(jí)放大器中采用NE5532放大芯片構(gòu)成的兩極放大電路；有源濾波采用模擬開關(guān)CD4051/CD4052選擇匹配的電阻和電容網(wǎng)絡(luò)；信號(hào)發(fā)生采用數(shù)字頻率合成（DDS） AD9850芯片產(chǎn)生；單片機(jī)鍵盤顯示處理模塊除可以對(duì)AD9850進(jìn)行實(shí)時(shí)控制外，還可以對(duì)模擬開關(guān)CD4051/CD4052的控制。 關(guān)鍵詞：AD9850 AT89S52 CD4

2、051/CD4052 LCD 顯示屏 直接數(shù)字頻率合成（DDS）1總體設(shè)計(jì)方案1. 1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路根據(jù)題目的要求，我們認(rèn)真取舍，充分利用了模擬和數(shù)字的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，采用單片機(jī)控制模擬開關(guān)的導(dǎo)通與否以實(shí)現(xiàn)電容及電阻參數(shù)的匹配，從而實(shí)現(xiàn)改變放大器增益的方法，并且以增益10dB步進(jìn)可調(diào)，大大提高了系統(tǒng)的精度；放大器的輸出電壓要求無明顯失真。本系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。圖1 總體框圖1. 2方案論證與比較（1）測(cè)量放大部分方案方案一：直接采用高精度OP放大器接成的懸置電橋差動(dòng)放大器。如圖2，此方案的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來對(duì)結(jié)構(gòu)工藝的要求不高，但是其輸入阻抗低、共模抑制比、失調(diào)電壓和失調(diào)電流等

3、參數(shù)受到放大器本身性能限制不易進(jìn)一步提高，且無法抑制放大器本身的溫漂。 圖2 懸置電橋差動(dòng)放大器 圖3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入型測(cè)量放大電路方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，在輸入級(jí)加設(shè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。如圖3，該方案和方案一相比提高了輸入阻抗和降低噪聲，但存在的共模抑制比、失調(diào)電壓和失調(diào)電流等參數(shù)受限的問題未能有效解決，且分立元件將導(dǎo)致調(diào)試工作復(fù)雜，可靠性下降。 方案三：選用高輸入阻抗低噪聲集成運(yùn)放NE5534。如圖4，選用NE5534，接成兩極同相運(yùn)算放大電路，可大大提高了差模輸入阻抗和共模抑制比。NE5534加上的電壓，放大倍數(shù)的計(jì)算公式為本設(shè)計(jì)選擇方案三。圖4 集成運(yùn)放NE5534接成兩極同相運(yùn)算放大電

4、路（2）信號(hào)濾波方法方案一 數(shù)字濾波法。數(shù)字濾波是信號(hào)濾波所常的方法,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào), 進(jìn)行數(shù)字濾波后再恢復(fù)原信號(hào)。這種方法理論上可以設(shè)計(jì)任意的濾波特性，可達(dá)到很高的精度，但要涉及較高的技術(shù)水平,實(shí)現(xiàn)難度較大。方案二：采用單級(jí)模擬低通濾波。由運(yùn)放、電阻、電容組成單級(jí)低通濾波器。此方法原理簡(jiǎn)單，有現(xiàn)成的公式可套，但單級(jí)濾波的截止頻率較難控制，頻率選擇性差，濾波效果不好好差，輸出波形有較大失真。方案三：采用多級(jí)巴特沃茲濾波器模擬低通濾波。巴特沃茲濾波器具有平坦的通帶，把多個(gè)低通濾波器級(jí)聯(lián)起來，濾波效果顯著提高，輸出波形失真小。因此選擇方案三。（3）顯示器的選擇 方案一：采用8位段數(shù)碼管，

5、將單片機(jī)得到的數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管顯示出來。該方案簡(jiǎn)單易行，但所需的元件較多，且不容易進(jìn)行操作，可讀性差，一旦設(shè)定后，很難再加入其他的功能。方案二：采用液晶顯示系統(tǒng)，將得到的數(shù)據(jù)通過液晶系統(tǒng)顯示。該方案所需液晶器件可由廠家提供，并且可用軟件進(jìn)行調(diào)制，對(duì)后續(xù)的功能兼容性高，只需將軟件作修改即可， 可操作性強(qiáng)，也易于讀數(shù)。但成本相對(duì)一來說較高。方案三：將結(jié)果通串口接入電腦，在電腦中編制程序，通過軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖形數(shù)字界面。該方案在數(shù)據(jù)的處理上比方案二直觀，可增加較多的擴(kuò)展功能。但不便于攜帶，可移動(dòng)性不如方案二。 綜上所述，我們采用了第二個(gè)方案，即采用液晶顯示系統(tǒng)。2 硬件電路設(shè)計(jì)2.1電源電路設(shè)計(jì)本方

6、案的直流穩(wěn)壓電源采用通常的橋式全波整流、單電容濾波、三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器件。輸出電路由+15V穩(wěn)壓供給，從而大大提高了電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率等指標(biāo)。所有的集成穩(wěn)壓器件根據(jù)功耗均安裝有充分裕量的散熱片。如圖5所示。圖 5 電源電路2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路由MCS51系列的單片機(jī)和一些鍵盤及LCD顯示構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)，以完成單片機(jī)控制、顯示和人機(jī)接口功能。如圖6所示。圖 6 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路2.3巴特沃茲濾波電路用通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)CD4051/4052的電阻匹配，設(shè)置濾波的截止頻率，題目要求能夠?qū)崿F(xiàn)高通和低通的轉(zhuǎn)換，即低通濾波器（高通濾波器）的-3dB截止頻率在1kHz20kHz范

7、圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)為1kHz，2處放大器與濾波器的總電壓增益不大于30dB。低通濾波器的模塊電路如圖7所示，高通濾波器的模塊電路如圖8所示。圖 7 低通濾波器 圖8高通濾波器3.主要電路的參數(shù)計(jì)算3.1 程控放大部分本設(shè)計(jì)以NE5532為中心，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行前端放大。當(dāng)輸入信號(hào)50mV，輸出功率可以達(dá)到6W以上，帶寬可以達(dá)到40KHz至幾百KHz。電源部分為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的15V電壓。整個(gè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，元器件均為市場(chǎng)上容易購的產(chǎn)品。放大倍數(shù)要求可調(diào)，第一級(jí)放大20倍，第二級(jí)放大100倍。（1） 低通濾波器參數(shù)的計(jì)算。參數(shù)如表1所示。表1 低通濾波器參數(shù)K1053.32.5108.337.1

8、46.25109R1（k）11.265.633.722.18511.269.388.047.0411.2610.13R2（k）22.5011.257.435.6322.5018.7416.0714.0622.520.25C1=0.01uFC2=0.002uFC3=1111pFK8.187.5109.288.678.12109.458.958.5R1（k）9.218.4511.2610.459.769.1411.2610.6410.089.57R2（k）17.4116.8822.520.8819.5118.2722.521.2620.1419.13C3=1111pFC4=769.2pFC5=58

9、8.2pF（2） 高通濾波器的參數(shù)計(jì)算。參數(shù)如表2所示。表2高通濾波器的參數(shù)K1053.32.5108.337.146.25109R1（k）18.219.116.014.5518.2115.1713.0011.3818.2116.39R2（k）13.916.9554.59033.4813.9111.599.938.6913.9112.52C1=0.01uFC2=0.002uFC3=1111pFK8.187.5109.288.678.12109.458.898.5R1（k）14.8913.6518.2116.9015.7914.7918.2117.2116.3015.48R2（k）11.3810

10、.4313.9112.9112.0611.2913.9113.412.4511.82C3=1111pFC4=769.2pFC5=588.2pF3.2電源參數(shù)的計(jì)算直流穩(wěn)壓電源，設(shè)計(jì)要求當(dāng)單相220V交流供電時(shí)，交流電壓變化范圍為+10%-15%仍正常工作，計(jì)算濾波電容值時(shí)，應(yīng)考慮整流二極管，LM317，LM337，7805，7905的最小壓降。 （1）輸出+15V、-15V時(shí)，輸出電流至少達(dá)到500mA。 在0.01S內(nèi)電壓變化為： 其中，U=18.75V（變壓器輸出交流電壓），0.7V為二極管的壓降，為穩(wěn)壓集成器件的最小壓降。設(shè)計(jì)取C=2200，足以滿足要求。（2）輸出+5V、-5V，設(shè)計(jì)輸

11、出電流可達(dá)1A。同理可得：其中，=9.7V（變壓器輸出交流電壓），1.4V為二極管壓降。設(shè)計(jì)取=4400，實(shí)際所需要的電流為幾百毫安，足以滿足要求。（3）同理可證，在電源電壓比正常值小15%或大10%時(shí)，電路仍滿足三端穩(wěn)壓器的最小壓降，也沒有超出三端穩(wěn)壓器的耐壓范圍。4.軟件程序部分4.1主程序流程圖如圖9所示圖9主程序流程圖4.2各個(gè)子程序流程圖如圖10所示 高通子流圖 增益設(shè)置子流圖 低通子流圖 增益控制子流圖5.系統(tǒng)測(cè)試5.1測(cè)試儀器表3序號(hào)儀器名稱型號(hào)數(shù)量120MHz普通示波器DF43281臺(tái)2低頻信號(hào)發(fā)生器EE1641B1臺(tái)3低頻毫伏表DF22201臺(tái)4四位半數(shù)字萬用表UT70B1臺(tái)

12、5直流穩(wěn)壓電源WYK-303B2臺(tái)6單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)ME5001臺(tái)5.2 測(cè)試結(jié)果及分析程控放大測(cè)試結(jié)果如表4表4輸入輸出0dB輸出10dB輸出20dB輸出30dB輸出40dB輸出50dB輸出60dB峰峰值10mV11.1mV32.8 mV102 .0mV324.5 mV1.08V3.21V10.86V峰峰值20mV22.5mV65.6 mV209.4 mV653.8 mV2.18 V6.50V22.32V有效值6mV7.2 mV18.4 mV61.3 mV184.6 mV604.2 mV1.85V6.12V有效值10mV10.9 mV32.0 mV99.5 mV314.3 mV995.8 mV

13、3.18V9.97V參考文獻(xiàn)（1）MSC-51/96單片及原理及應(yīng)用孫涵芳徐愛卿北京航天航空大學(xué)出版社（2）跟我學(xué)用單片機(jī) 肖洪兵 胡輝 郭速學(xué) 北京航天航空大學(xué)出版社（3）MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù) 李華 北京航天航空大學(xué)出版社（4）第五屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編.北京：北京理工大學(xué)出版社，2001附錄1:整機(jī)原理圖低通電路原理圖：高通電路原理圖：附錄2:主要的原程序/*P1.0,P1.1,P1.2控制放大器部分的放大倍數(shù)。*/*P0口控制低通濾波器的增益調(diào)節(jié)*/*P2口控制高通濾波器的增益調(diào)節(jié)*/#include<reg52.h>#include<reg

14、52.h>#include<intrins.h>#include<absacc.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long int sbit k1 = P14; /低通檔位控制按紐 sbit k2 = P15; /高通檔位控制按鈕 sbit k3 = P16; /高通、低通切換按鈕 sbit k4 = P33; /放大倍數(shù)控制按鈕 sbit timea = P30; /增益控制A口 sbit timeb = P31; /增益控制B口 sbit t

15、imec = P32; /增益控制C口 sbit HL_GO = P34; sbit LCD_RS = P35; / sbit LCD_RW = P36; sbit LCD_EN = P37;uchar flage=0,tong=0,sd_freq=0,sd_volt=0, low_pass=0,high_pass=0,receive, i, HL_ZH=0; uchar code table ="ZY: DB" ;uchar code table1="high: K"uchar code table2="low: K" /*延時(shí)m毫

16、秒子程序*/void delay(uint m) uchar i; while(m-) for(i=0;i<100;i+) _nop_(); _nop_(); /* 5us 延時(shí)子程序*/void delayNOP() _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();/* 檢查L(zhǎng)CD忙狀態(tài) * lcd_busy為1時(shí)，忙，等待。 * lcd-busy為0時(shí),閑，可寫指令與數(shù)據(jù) */ bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; delayNOP(); result =

17、(bit)(P1&0x08); LCD_EN = 0; return(result); /* * 寫指令或數(shù)據(jù)* start=0, 寫入命令; start=1, 寫入數(shù)據(jù)*/void lcd_write(bit start, uchar in_data) uchar Hdata,Ldata,funct;while(lcd_busy(); Hdata=(in_data&0xf0)>>4;/取高四位 Ldata=in_data&0x0f; /取低四位 if(start=0) LCD_RS = 0; /寫入命令 else LCD_RS = 1; /寫入數(shù)據(jù)LCD_

18、RW = 0; LCD_EN = 0;delayNOP();funct = P0;funct=funct&0xf0;P0 = Hdata|funct; /發(fā)送高四位 LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0;delayNOP();funct = P0;funct=funct&0xf0;P0 = Ldata|funct; /發(fā)送低四位 LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0;delayNOP();/* LCD初始化設(shè)定 */void lcd_init() delay(15); lcd_write(0,0x28); /16*

19、2顯示，5*7點(diǎn)陣，4位數(shù)據(jù) delay(5); lcd_write(0,0x28); delay(5); lcd_write(0,0x28); delay(5); lcd_write(0,0x0c); /顯示開，關(guān)光標(biāo) delay(5); lcd_write(0,0x06); /移動(dòng)光標(biāo) delay(5); lcd_write(0,0x01); /清除LCD的顯示內(nèi)容 delay(25); /延時(shí)/* 設(shè)定顯示位置 */void lcd_pos(uchar pos) lcd_write(0,pos|0x80); /數(shù)據(jù)指針=80+地址變量 /*lcd顯示子程序*/ void lcd_dis_

20、time(uchar timers) /放大倍數(shù)顯示子程序 lcd_pos(0x04); /顯示地址lcd_write(1,timers+0x30); /送顯示的增益的高位lcd_write(1,0x30); /送顯示增益的低位0 void lcd_dis_gt(uchar h_pass)/高通頻率顯示子程序 uchar hhpass,lhpass; lcd_pos(0x0d);/顯示地址 hhpass=h_pass/10; /計(jì)算頻率的十位 lhpass=h_pass%10; /計(jì)算頻率的個(gè)位 lcd_write(1,hhpass+0x30); lcd_write(1,lhpass+0x30

21、);/顯示頻率值 void lcd_dis_dt(uchar l_pass)/低通頻率顯示子程序 uchar hlpass,llpass; lcd_pos(0x0d);/顯示地址 hlpass=l_pass/10; /計(jì)算頻率的十位 llpass=l_pass%10; /計(jì)算頻率的個(gè)位 lcd_write(1,hlpass+0x30); lcd_write(1,llpass+0x30);/顯示當(dāng)前頻率值void fangda()/控制放大倍數(shù)子程序 switch(tong) case 0:timea=0;timeb=0;timec=0;break; /放大倍數(shù)為1倍， 即增益為0 DBcase

22、 1:timea=1;timeb=0;timec=0;break; /放大倍數(shù)為3.16倍，即增益為10 DBcase 2:timea=0;timeb=1;timec=0;break; /放大倍數(shù)為10倍， 即增益為20 DBcase 3:timea=1;timeb=1;timec=0;break; /放大倍數(shù)為31.6倍，即增益為30 DBcase 4:timea=0;timeb=0;timec=1;break; /放大倍數(shù)為100倍， 即增益為40 DBcase 5:timea=1;timeb=0;timec=1;break; /放大倍數(shù)為316倍， 即增益為50 DBcase 6:tim

23、ea=0;timeb=1;timec=1;break; /放大倍數(shù)為1000倍，即增益為60 DBdefault:break;lcd_dis_time(tong);/調(diào)顯示程序flage=0;/清增益設(shè)定標(biāo)志位void funtion_high_pass()/高通頻率設(shè)置子程序 switch(high_pass) case 0:P2=0x00;break;/設(shè)置頻率為 1KHZ case 1:P2=0x40;break;/設(shè)置頻率為 2KHZ case 2:P2=0x80;break;/設(shè)置頻率為 3KHZ case 3:P2=0xc0;break;/設(shè)置頻率為 4KHZ case 4:P2=

24、0x09;break;/設(shè)置頻率為 5KHZ case 5:P2=0x49;break;/設(shè)置頻率為 6KHZ case 6:P2=0x89;break;/設(shè)置頻率為 7KHZ case 7:P2=0xc9;break;/設(shè)置頻率為 8KHZ case 8:P2=0x12;break;/設(shè)置頻率為 9KHZ case 9:P2=0x52;break;/設(shè)置頻率為10KHZ case 10:P2=0x92;break;/設(shè)置頻率為11KHZ case 11:P2=0xd2;break;/設(shè)置頻率為12KHZ case 12:P2=0x1b;break;/設(shè)置頻率為13KHZ case 13:P2

25、=0x5b;break;/設(shè)置頻率為14KHZ case 14:P2=0x9b;break;/設(shè)置頻率為15KHZ case 15:P2=0xdb;break;/設(shè)置頻率為16KHZ case 16:P2=0x24;break;/設(shè)置頻率為17KHZ case 17:P2=0x64;break;/設(shè)置頻率為18KHZ case 18:P2=0xa4;break;/設(shè)置頻率為19KHZ case 19:P2=0xe4;break;/設(shè)置頻率為20KHZ default:break; lcd_dis_gt(high_pass); void funtion_low_pass() switch(low

26、_pass) case 0:P0=0x00;break; /設(shè)置頻率為 1KHZ case 1:P0=0x40;break; /設(shè)置頻率為 2KHZ case 2:P0=0x80;break; /設(shè)置頻率為 3KHZ case 3:P0=0xc0;break; /設(shè)置頻率為 4KHZ case 4:P0=0x09;break; /設(shè)置頻率為 5KHZ case 5:P0=0x49;break; /設(shè)置頻率為 6KHZ case 6:P0=0x89;break; /設(shè)置頻率為 7KHZ case 7:P0=0xc9;break; /設(shè)置頻率為 8KHZ case 8:P0=0x12;break;

27、 /設(shè)置頻率為 9KHZ case 9:P0=0x52;break; /設(shè)置頻率為10KHZ case 10:P0=0x92;break; /設(shè)置頻率為11KHZ case 11:P0=0xd2;break; /設(shè)置頻率為12KHZ case 12:P0=0x1b;break; /設(shè)置頻率為13KHZ case 13:P0=0x5b;break; /設(shè)置頻率為14KHZ case 14:P0=0x9b;break; /設(shè)置頻率為15KHZ case 15:P0=0xdb;break; /設(shè)置頻率為16KHZ case 16:P0=0x24;break; /設(shè)置頻率為17KHZ case 17:

28、P0=0x64;break; /設(shè)置頻率為18KHZ case 18:P0=0xa4;break; /設(shè)置頻率為19KHZ case 19:P0=0xe4;break; /設(shè)置頻率為20KHZ default:break; lcd_dis_dt(low_pass); /調(diào)顯示子程序 void init(void) P0=0x00; /低通默認(rèn)狀態(tài)為1KHZ P2=0x00; /高通默認(rèn)狀態(tài)為1KHZ timea=0; timeb=0; timec=0; /默認(rèn)放大倍數(shù)為1倍 HL_GO=1; void main(void) lcd_init(); /lcd初始化 init(); /主程序初始化 IT1=1; /INT1下降沿中斷 EX1=1; /允許INT1中斷 EA=1; lcd_pos(0x00); /設(shè)置顯示地址，為第1行 for(i=0;i<8;i+) lcd_write(1,tablei); /顯示“ZY： D