基于MAX262的程控濾波器設(shè)計(jì)說明

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目 基于MAX262的程控濾波器設(shè)計(jì) 學(xué)生偉專業(yè)班級(jí)電子信息工程08-1班 所在院系電氣信息學(xué)院指導(dǎo)教師宗靜靜職稱講師所在單位交通大學(xué)教研室主任賈世杰完成日期 2012 年 6 月16日摘 要本設(shè)計(jì)由電源模塊、MCU控制器模塊、顯示模塊、鍵盤控制模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、程控濾波器模塊組成。使用STC12C5A60S2作為MCU，發(fā)送頻率控制狀態(tài)字(FTW)使AD9850(DDS)芯片產(chǎn)生的頻率可調(diào)的正弦波，將產(chǎn)生正弦波的經(jīng)由高速比較器模塊的整形后充當(dāng)步進(jìn)時(shí)鐘提供給程控濾波器模塊，MCU并輔以發(fā)送的程序狀態(tài)字于程控濾波器模塊達(dá)到控制濾波器工作模式與相應(yīng)濾波性能指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期濾波

2、效果。本課題正是針對(duì)目前傳統(tǒng)濾波器相應(yīng)濾波性能指標(biāo)相對(duì)固定、精度相對(duì)低等不足提出的，輔以開關(guān)電容濾波器的設(shè)計(jì)理念，兼顧數(shù)字化的控制過程，能夠減少使用過程中的不確定因素和人為參與硬件設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)數(shù)目，有效地解決相應(yīng)模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性，具有一定可借鑒價(jià)值。關(guān)鍵詞：MCU DDS 低通濾波 程控濾波器ABSTRACTThis designconsists of the power module, thedisplay module, the keyboard control module, the clock producing module

3、 and the programmable filter module. Using STC12C5A60S2 as MCU that sends a frequency tuning word (FTW) to AD9850 (DDS) chip which can produce a frequency-adjustable sine wave.After high-speed comparing, the wave was provided to the programmable filter modules asa marching clock. Then MCU sends PSW

4、to the programmable filter modulesto control the functional mode and performance index of the filter, so that this designcan achieve the expected effects of filtering.This designis aimed at changing the shortcoming of traditional filters that the performance index is relatively fixed and the precisi

5、on is relatively low. With the idea of Switched Capacitor Filter design and the digital control processing, this project can reduce uncertain factors such as factitious hardware designingprocedures. This design can effectively solve engineering problems such as reliability, intelligentizing and prod

6、uct consistency, and greatly improve the production efficiency and product maintainability. It may have certain value in applications.Keywords： MCUDDS Low-pass Filtering Programmable Filter目 錄第一章緒論11.1研究的背景和意義11.2課題的研究對(duì)象11.3論文的結(jié)構(gòu)安排2第二章濾波原理概述32.1濾波、濾波器的概念32.2濾波器的分類32.3濾波器的原理32.3.1三種典型濾波器概述32.3.1.1巴特沃

7、茲濾波器32.3.1.2切比雪夫?yàn)V波器32.3.1.3貝賽爾濾波器32.3.2三種典型濾波器濾波特性對(duì)比42.3.2.1巴特沃茲濾波器42.3.2.2切比雪夫響應(yīng)42.3.2.3貝賽爾響應(yīng)42.4濾波器設(shè)計(jì)方法的演變42.5開關(guān)電容型濾波器的原理概述62.5.1開關(guān)電容型濾波器的基本原理62.5.2開關(guān)電容型濾波器的主要特性72.5.3集成開關(guān)電容型濾波器電路的類型和功能簡(jiǎn)介7第三章程控濾波器總設(shè)計(jì)方案論證103.1程控濾波器設(shè)計(jì)總體思路介紹103.2基于MAX262的程控濾波器設(shè)計(jì)方案論證103.2.1時(shí)鐘產(chǎn)生模塊的論證與選擇113.2.2程控濾波器模塊的論證與選擇123.2.3鍵盤模塊的論

8、證與選擇123.2.4MCU控制模塊的論證與選擇133.2.5顯示模塊的論證與選擇133.2.6電源模塊13第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)144.1MCU控制器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)144.1.1STC5A60S2系列芯片簡(jiǎn)介144.1.2STC5A60S2系列單片機(jī)引腳說明154.1.3MCU控制器模塊原理圖154.2UI界面模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)154.2.1顯示模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)164.2.2鍵盤控制模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)174.3時(shí)鐘產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)174.3.1DDS芯片AD9850簡(jiǎn)介174.3.2DDS芯片AD9850引腳說明184.3.3時(shí)鐘產(chǎn)生模塊原理圖184.4程控濾波器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)184.4.1程控濾

9、波器芯片MAX262簡(jiǎn)介184.4.2程控濾波器芯片MAX262引腳說明194.4.3程控濾波器模塊原理圖204.5電源模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)20第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)225.1系統(tǒng)功能描述225.2總程序流程圖22第六章測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果236.1MAX262實(shí)現(xiàn)低通濾波器測(cè)試結(jié)果236.2MAX262實(shí)現(xiàn)高通濾波器測(cè)試結(jié)果256.3MAX262實(shí)現(xiàn)帶通濾波器測(cè)試結(jié)果276.4數(shù)據(jù)分析28結(jié)論29辭30參考文獻(xiàn)31附錄3232 / 36第一章 緒 論1.1研究的背景和意義電子濾波器是一種可執(zhí)行信號(hào)處理功能的電子線路元件或裝置，它具有去除信號(hào)中不想要的成分或者增強(qiáng)所需成分的功能。電子行業(yè)的許多應(yīng)用場(chǎng)

10、合都要用到電子濾波器，并且對(duì)濾波器的要求也越來越高。比如測(cè)量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號(hào)中，往往包含有噪聲與許多與被測(cè)量無關(guān)的信號(hào)，并且原始的測(cè)量信號(hào)經(jīng)傳輸、放大、變換、運(yùn)算與各種其他的處理過程，也會(huì)混入各種不同形式的噪聲，從而影響測(cè)量精度。這些噪聲一般隨機(jī)性強(qiáng)，很難從時(shí)域中直接分離，但限于其產(chǎn)生的機(jī)理，其噪聲功率是有限的，并按一定的規(guī)律分布于頻域某一特定的頻帶中。因此，信號(hào)分離電路一般采用電子濾波器實(shí)現(xiàn)噪聲的抑制，提取所需的測(cè)量信號(hào)。但是一般系統(tǒng)中采用的濾波器的形式和截止頻率往往是固定的，很難做到可調(diào)，這就給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來一定的不便。其次，傳統(tǒng)濾波器在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。由于低

11、精度的濾波器在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果，世界各國(guó)紛紛對(duì)濾波器提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得好的市場(chǎng)。傳統(tǒng)濾波器功能單一，調(diào)節(jié)精度不高，用戶使用人機(jī)界面不友好，而且性能指標(biāo)經(jīng)常跳變，使用麻煩。目前，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，已有高階專用的開關(guān)電容濾波器芯片，但其價(jià)格高，電路噪聲也不盡如人意，此外其還存在信號(hào)混疊問題，設(shè)計(jì)使用時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)者能力要求較高。本課題程控濾波器系統(tǒng)是針對(duì)目前傳統(tǒng)濾波器的不足提出的，輔以開關(guān)電容濾波器的設(shè)計(jì)理念，兼顧數(shù)字化的控制過程能夠減少使用過程中的不確定因素和人為硬件設(shè)計(jì)參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決相應(yīng)模塊中諸如可靠性

12、、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。1.2課題的研究對(duì)象開關(guān)電容濾波器是由受時(shí)鐘信號(hào)控制的開關(guān)和電容器組成的濾波電路。它是利用電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的各種處理功能。因此，開關(guān)電容濾波器的使用可以很好地解決濾波器的形式和截止頻率固定的問題，即可由所需濾波函數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)帶通、低通、高通、陷波和全通配置的濾波器。目前，國(guó)外已批量生產(chǎn)了各種單片集成開關(guān)電容濾波器并可實(shí)現(xiàn)程控濾波的效果。單片集成開關(guān)電容濾波器不需要添加外部元件即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)濾波效果，并且可在微處理器的系統(tǒng)程序設(shè)置濾波器中心頻率、品質(zhì)因數(shù)和濾波器所處工作方式的相應(yīng)控制狀態(tài)字以達(dá)到相應(yīng)程控目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同類型

13、的濾波器。并且其濾波功能與實(shí)時(shí)性好、響應(yīng)速度快，因此為廣大用戶所喜歡。本課題源自于索尼杯2007全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 D題，要求設(shè)計(jì)基于MAX262的程控濾波器，其中微處理器選用8051架構(gòu)處理器，步進(jìn)時(shí)鐘通過DDS芯片間接產(chǎn)生，輔以相應(yīng)良好的人機(jī)交互界面(UI界面)構(gòu)成硬件系統(tǒng)。通過本次程控濾波器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)濾波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。1.3論文的結(jié)構(gòu)安排論文各章的容安排如下:第一章是緒論部分，介紹論文選題的背景，論文的主要研究對(duì)象和結(jié)構(gòu)安排。第二章介紹濾波器原理，并著重介紹開關(guān)電容型濾波原理。第三章介紹介紹程控濾波器總設(shè)計(jì)方案論證，其中包括各個(gè)模塊設(shè)計(jì)

14、方案綜述。第四章介紹本課題系統(tǒng)硬件各模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第五章介紹本課題系統(tǒng)軟件各模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第六章介紹本課題測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果。第二章 濾波原理概述2.1濾波、濾波器的概念濾波就是將多種頻率的信號(hào)經(jīng)過處理得到想要的特定頻率的信號(hào)，即將有用的信號(hào)中的雜波信號(hào)濾除，或者是將多種信號(hào)中的特定頻帶保留。濾波器就是利用一些特殊元器件的特性，將有用信號(hào)取出，所以濾波就出現(xiàn)早期的RC濾波、LC濾波與混合濾波的概念。2.2濾波器的分類自從濾波器登上了歷史舞臺(tái)，濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)思路也經(jīng)歷多次演變，進(jìn)而產(chǎn)生不同設(shè)計(jì)分類。根據(jù)濾波器的特性和應(yīng)用場(chǎng)合與結(jié)構(gòu)形式等可以有如下的不同分類方法：(1) 從設(shè)計(jì)功能上分為：低

15、通、高通、帶阻、帶通、全通。(2) 從設(shè)計(jì)方法上來分為：切比雪夫?yàn)V波器、巴特沃茲濾波器、貝塞爾濾波器等。(3) 從處理信號(hào)上來分為：經(jīng)典濾波器、現(xiàn)代濾波器。(4) 從處理信號(hào)形式上分為：數(shù)字濾波器，模擬濾波器。其中數(shù)字濾波器、模擬濾波器又可細(xì)分為：(1) 從數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方法上又分為：FIR、IIR。(2) 從模擬濾波器實(shí)現(xiàn)方法上又分為：有源濾波器，無源濾波器。2.3濾波器的原理2.3.1三種典型濾波器概述2.3.1.1巴特沃茲濾波器巴特沃茲濾波器具有盡可能平坦的通帶幅度響應(yīng)。截止頻率的衰減設(shè)計(jì)為-3dB。高于截止頻率的頻帶衰減具有適中的斜率20dB滾降每十倍頻程每極點(diǎn)。巴特沃茲濾波器的脈沖響

16、應(yīng)具有適當(dāng)?shù)倪^沖與振鈴。2.3.1.2切比雪夫?yàn)V波器切比雪夫?yàn)V波器與巴特沃茲濾波器相比，此類型的濾波器在通帶以外的衰減更為陡峭該優(yōu)點(diǎn)是以犧牲通帶的幅度變化量為代價(jià)的。與巴特沃茲與貝賽爾響應(yīng)不同，切比雪夫?yàn)V波器的截止頻率定義為響應(yīng)滾降至低于紋波帶的頻點(diǎn)。對(duì)于偶數(shù)階濾波器而言，所有紋波均高于0 dB增益的直流響應(yīng)，因此截止頻點(diǎn)位于0 dB 衰減處。對(duì)于奇數(shù)階濾波器來說，所有的紋波均低于0 dB增益的直流響應(yīng)，截止頻率則定義為低于紋波帶最大衰減點(diǎn)。在極點(diǎn)數(shù)量一定時(shí)，增加通帶紋波可實(shí)現(xiàn)更陡峭截止。相對(duì)于巴特沃茲濾波器而言，切比雪夫?yàn)V波器的脈沖響應(yīng)具有更大的振鈴。2.3.1.3貝賽爾濾波器貝賽爾濾波器也

17、稱為湯姆遜型濾波器。由于其線性相位響應(yīng)特性，使得此類濾波器具有最優(yōu)的脈沖響應(yīng)性能。對(duì)于給定的極點(diǎn)數(shù)量而言，貝賽爾的幅頻響應(yīng)并不如巴特沃茲平坦，-3dB 截止頻率以外頻帶的衰減也不如巴特沃茲陡峭。盡管須采用更高階的貝賽爾濾波器來逼近給定的巴特沃茲濾波器的幅頻響應(yīng)，但考慮到貝賽爾濾波器的脈沖響應(yīng)保真度，增加一定的設(shè)計(jì)復(fù)雜性也是物有所值的。2.3.2三種典型濾波器濾波特性對(duì)比2.3.2.1巴特沃茲濾波器優(yōu)點(diǎn)：巴特沃茲濾波器提供了最大的通帶幅度晌應(yīng)平坦度，具有良好的綜合性能。其脈沖響應(yīng)優(yōu)于切比雪夫，衰減速度優(yōu)于貝賽爾。缺點(diǎn)：階躍響應(yīng)存在一定的過沖與振蕩。2.3.2.2切比雪夫響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：與巴特沃茲相比，

18、切比雪夫?yàn)V波器具有了更良好的通帶外衰減。缺點(diǎn)：通帶紋波令人不滿，階躍晌應(yīng)的振鈴較嚴(yán)重。2.3.2.3貝賽爾響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：貝賽爾濾波器具有最優(yōu)的階躍響應(yīng)非常小的過沖與振鈴。缺點(diǎn)：與巴特沃茲相比，貝賽爾濾波器的通帶外衰減較為緩慢。2.4 濾波器設(shè)計(jì)方法的演變(1) 設(shè)計(jì)無源濾波器無源濾波器可以設(shè)計(jì)為無源RC濾波器、無源LC濾波器等，主要使用相應(yīng)無源元器件實(shí)現(xiàn)濾波電路，具體設(shè)計(jì)電路示意圖如下圖2-1所示：圖2-1 無源濾波示意圖無源濾波網(wǎng)絡(luò)多以分離元件組成，不易大規(guī)模集成。(2) 設(shè)計(jì)有源濾波器有源濾波器的結(jié)構(gòu)組成：由無源元器件(例如：電感、電容、電阻等)與有源放大器等組成的有源網(wǎng)絡(luò)，具體設(shè)計(jì)電路示意圖

19、如下圖2-2所示：圖2-2 有源濾波示意圖有源濾波網(wǎng)絡(luò)多以分離元件與小規(guī)模集成運(yùn)放組成，不易大規(guī)模集成。(3) 開關(guān)電容型濾波器開關(guān)電容型濾波器由MOS電容、電子開關(guān)和有源放大器等組成。值得一提的是開關(guān)電容型濾波器性能更像數(shù)字濾波器，具體設(shè)計(jì)電路示意圖如下圖2-3所示：圖2-3 開關(guān)電容型濾波器示意圖濾波網(wǎng)絡(luò)多以MOS管、電子開關(guān)、小規(guī)模集成運(yùn)放等組成，易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。(4) 數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)一般方法為:由MATLAB工具軟件設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器達(dá)到預(yù)期效果后,并在DSP上或FPGA上實(shí)現(xiàn)。其中數(shù)字濾波器的基本硬件模塊可以采用加法器、乘法器、延時(shí)器等基本硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。近年來開始使用F

20、PGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器已成為趨勢(shì)，具體設(shè)計(jì)電路示意圖如下圖2-4所示：圖2-4 使用FPGA設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器示意圖由于本課題為設(shè)計(jì)使用開關(guān)電容型濾波器故著重介紹開關(guān)電容型濾波器原理。2.5 開關(guān)電容型濾波器的原理概述2.5.1 開關(guān)電容型濾波器的基本原理RC有源濾波器由電阻、電容C和有源放大器組成。開關(guān)電容型濾波的基本原理是以開關(guān)電容來模擬有源濾波器中的電阻，從而克服了集成電阻精度和穩(wěn)定性都差的缺點(diǎn)。所以一般開關(guān)電容型濾波器是由電子開關(guān)、電容和有源放大器組成。在集成電路中電子開關(guān)是由MOS晶體管的交替通斷來實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)電容和一對(duì)開關(guān)可模擬一個(gè)電阻，其等效電阻與開關(guān)的開關(guān)頻率成反比，工作原理示意圖如

21、圖2-5所示：圖 2-5 開關(guān)電容型濾波器的基本原理根據(jù)歐姆定律，電壓加到一個(gè)電阻上將產(chǎn)生電流，具體如圖2-5(a)所示： 2-1當(dāng)考慮圖2-5(b)的電路時(shí)，圖中輸入電壓通過開關(guān)和加到上，使電容充放電。電容上總的電容量可表示為： 2-2當(dāng)斷開，閉合時(shí)，電荷流到地端。對(duì)于固定的開關(guān)頻率越高單位時(shí)間流過的電荷越大，而電流是流過電荷的速率，所以電路中平均電流為： 2-3其中是開關(guān)的開關(guān)周期，是開關(guān)頻率。由方程2-3可寫出電路的等效電阻為： 2-4可見等效電阻是和的函數(shù)，所以改變可改變電阻值。一個(gè)單極點(diǎn)有源積分器如圖2-5(c)所示，其截止頻率為： 2-5將R用開關(guān)電容電阻來代替，即如圖2-5(d)

22、所示：2-6所以截止頻率與時(shí)鐘頻率和電容比成正比。改變可改變截止頻率。2.5.2 開關(guān)電容型濾波器的主要特性在近年來開關(guān)電容型濾波器集成電路的開發(fā)和應(yīng)用中，開關(guān)電容型濾波器表現(xiàn)出許多優(yōu)異的特點(diǎn)。同無源LC濾波器和有源RC濾波器相比，開關(guān)電容型濾波器具有以下一些主要特性：(1)開關(guān)電容型濾波器為單片集成，體積小，功耗低。(2)開關(guān)電容型濾波器的轉(zhuǎn)折頻率(或截止頻率)的精度較高。有源RC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率取決于RC乘積。而一般集成電容的精度最高只能達(dá)到10，因此集成的RC濾波器的頻率響應(yīng)誤差也將達(dá)到10。開關(guān)電容型濾波器的轉(zhuǎn)折頻率取決于電容比和時(shí)鐘頻率，雖然精密集成電容不易制造，但電容比則很易控制到

23、小于1。所以開關(guān)電容型濾波器轉(zhuǎn)折頻率的精度也相應(yīng)提高。(3)對(duì)已制好的開關(guān)電容型濾波器來說，只需一個(gè)時(shí)鐘源來控制開關(guān)電容型濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。如轉(zhuǎn)折頻率的精度要求很高，可使用外接晶振提供穩(wěn)定的時(shí)鐘。而且通過改變時(shí)鐘頻率可得到頻帶實(shí)時(shí)可調(diào)的濾波器，也可得到一個(gè)掃頻濾波器。(4)開關(guān)電容型濾波器的通用性已經(jīng)接近了門級(jí)電路或運(yùn)放級(jí)電路的通用性。同樣一塊芯片可用來設(shè)計(jì)一個(gè)低通、帶通、高通、帶阻或全通濾波器；濾波器的頻率響應(yīng)類型可選擇巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)、貝賽爾函數(shù)濾波器等中的一種；濾波器的帶紋波也可選擇與控制；品質(zhì)因數(shù)可在大圍改變，最低值可小于0.1，而最高值可大于100。(5)不需使用分立電容

24、、電感元件。分立電感，電容體積大，精度差，溫度靈敏度高，最易影響濾波器的精度。(6)開關(guān)電容型濾波器得到廣泛應(yīng)用的最重要原因在于它的使用靈活方便性。一般LC濾波器和RC濾波器設(shè)計(jì)過程非常繁復(fù)，通常需要精密的分立元件，并且調(diào)試非常困難。濾波器的性能指標(biāo)稍有改變，則必須從頭開始選擇合適的分立元件值。另外這樣的濾波器設(shè)計(jì)周期也較長(zhǎng)。一樣的性能指標(biāo)如用開關(guān)電容型濾波器來實(shí)現(xiàn)就要簡(jiǎn)單得多。我們只需在眾多的開關(guān)電容型濾波器芯片中選擇合適的一種，并加上適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘頻率即可。許多新近面世的通用性好的開關(guān)電容型濾波器芯片可用程序控制，濾波器特性的改變可在瞬間完成。2.5.3集成開關(guān)電容型濾波器電路的類型和功能簡(jiǎn)介

25、近年來隨著開關(guān)電容型濾波器市場(chǎng)需求的增加，生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品品種日益增多。目前市場(chǎng)上開關(guān)電容型濾波器產(chǎn)品品種繁多，并不斷有新的產(chǎn)品問世。如果從使用的角度對(duì)開關(guān)電容型濾波器產(chǎn)品進(jìn)行劃分的話，一般的開關(guān)電容型濾波器可分成專用濾波器和通用濾波器兩大類。1專用開關(guān)電容型濾波器在許多專用集成電路中，開關(guān)電容型濾波器只是其中的一部分，用戶并不能直接使用；另外的一些開關(guān)電容型濾波器芯片是針對(duì)某一特定的應(yīng)用領(lǐng)域而專門設(shè)計(jì)的，用戶一般不能對(duì)此類專用開關(guān)電容型濾波器的特性重新設(shè)置，此類濾波器在通訊中應(yīng)用廣泛。2通用開關(guān)電容型濾波器與專用型開關(guān)電容型濾波器相比，通用型開關(guān)電容型濾波器能侈適應(yīng)用戶對(duì)濾波器特性的特定要求。

26、用戶可用一定的方法來改變開關(guān)電容型濾波器的參數(shù)從而使開關(guān)電容型濾波器能滿足一定的指標(biāo)要求，選用不同的參數(shù)可得到不同的濾波特性。通用型開關(guān)電容型濾波器可進(jìn)一步分為兩類，預(yù)構(gòu)型開關(guān)電容型濾波器和多用型開關(guān)電容型濾波器。(1)預(yù)構(gòu)型開關(guān)電容型濾波器每一類預(yù)構(gòu)型開關(guān)電容型濾波器實(shí)現(xiàn)一種專門類型(巴特沃斯低通、切比雪夫高通等)的濾波器。在通用型開關(guān)電容型濾波器中，預(yù)構(gòu)型開關(guān)電容型濾波器的使用最為方便。濾波器不需要外接的分立元件，用戶只需提供一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來設(shè)置濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。預(yù)構(gòu)型開關(guān)電容型濾波器的一個(gè)典型例子是Exar公司的XR1001/8系列產(chǎn)品。這類產(chǎn)品都是8個(gè)引腳，分別提供四階巴特沃斯低通、橢圓

27、函數(shù)低通和切比雪夫低通濾波。濾波器最大的截止頻率可達(dá)40kHz。時(shí)鐘頻率與轉(zhuǎn)折頻率之比固定為50：1或100：1。片有振蕩器，因此用戶既可選擇外時(shí)鐘也可選擇時(shí)鐘來設(shè)置截止頻率。NationalSemiconductor公司的LMF90提供一個(gè)衰減為30dB的陷波濾波器。時(shí)鐘和轉(zhuǎn)折頻率之比為50：1或100：l。因此僅需在片子上外加一個(gè)時(shí)鐘源就可濾除信號(hào)中的基頻和二次、三次諧波。(2)多用型開關(guān)電容型濾波器預(yù)構(gòu)型開關(guān)電容型濾波器只能完成一種類型的濾波形式，因此通用性不強(qiáng)。而多用型開關(guān)電容型濾波器芯片可實(shí)現(xiàn)各種類型的濾波形式。也即說，同一塊芯片可用來實(shí)現(xiàn)巴特沃斯、切比雪夫或橢圓函數(shù)濾波，濾波方式可

28、設(shè)計(jì)為低通、高通、帶通等。這樣的開關(guān)電容型濾波器顯然具有很大的靈活性。按照濾波理論，任意的濾波頻響特性可由多個(gè)二階節(jié)的串聯(lián)或并聯(lián)來組成。所以二階節(jié)是濾波器中的基本單元。多用型開關(guān)電容型濾波器包含了二階節(jié)的有源部分。一般每個(gè)芯片包含一個(gè)或數(shù)個(gè)二階節(jié)。多個(gè)二階節(jié)串聯(lián)起來就組成了高階濾波器。多用型開關(guān)電容型濾波器從常見編程的類型來分可分為：電阻可編程、引腳可編程兩種(目前另一種新型處理器可編程開關(guān)電容型濾波器即將登陸國(guó)市場(chǎng))： 電阻編程開關(guān)電容型濾波器電阻編程開關(guān)電容型濾波器包含了二階節(jié)的有源部分。用戶需要在合適的引腳上加反饋電阻以提供合適的反饋通道。在所有開關(guān)電容型濾波器中電阻編程開關(guān)電容型濾波器

29、提供了最大的靈活性。改變這類開關(guān)電容型濾波器中反饋電阻的數(shù)值，濾波器中心頻率和值都可得到精密控制，同時(shí)也控制了濾波器頻響特性的類型(切比雪夫、巴特沃斯等)。除了提供50：1和100：l的標(biāo)稱時(shí)鐘截止頻率比以外，用戶可通過改變反饋電阻以獲得需要的頻率比。每個(gè)二階節(jié)都有低通、高通、帶通、帶阻和全通輸出端，用戶可根據(jù)需要選擇一端作為輸出。但是這類器件要獲得特定的頻率特性，反饋電阻的數(shù)值計(jì)算比較復(fù)雜。而一般一個(gè)二階濾波器需三到六個(gè)反饋電阻。所以組成高階濾波器時(shí)需接多個(gè)反饋電阻。 引腳編程開關(guān)電容型濾波器電阻可編程開關(guān)電容型濾波器過去一直是開關(guān)電容型濾波器市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。直到美國(guó)Maxim公司的Max2

30、60系列的引腳或處理器可編程開關(guān)電容型濾波器面世，這一局面才被打破。電阻編程開關(guān)電容型濾波器雖然靈活性強(qiáng)，但不易使用引腳編程開關(guān)電容型濾波器和下面的處理器編程開關(guān)電容型濾波器是靈活性和使用方便性的折衷。這兩類產(chǎn)品以開關(guān)電容替代了原來所需的外接反饋電阻。在芯片開關(guān)電容排列成一排，因此用數(shù)字控制的方法可改變開關(guān)電容的并聯(lián)數(shù)目，從而改變等效的反饋電阻值，以改變?yōu)V波器頻率特性，但是控制精度受到了芯片提供的控制位數(shù)目的限制。第三章 程控濾波器總設(shè)計(jì)方案論證3.1 程控濾波器設(shè)計(jì)總體思路介紹針對(duì)濾波器的程控方案設(shè)計(jì)大致有如下幾種設(shè)計(jì)方案可以考慮。方案一：使用設(shè)計(jì)模擬有源濾波器的方法并輔以可程控?cái)?shù)字電位器達(dá)

31、到程控的目的。具體方案如下：利用設(shè)計(jì)模擬有源濾波器的方法，設(shè)計(jì)一系列所需濾波器以滿足需求，并通過利用可程控?cái)?shù)字電位器代替?zhèn)鹘y(tǒng)定值電阻器。利用MCU控制數(shù)字電位器，從而改變模擬有源濾波器的性能指標(biāo)，達(dá)到相應(yīng)程控濾波的目的。該方案的特點(diǎn)是成本低廉，實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，而且模擬濾波器設(shè)計(jì)相對(duì)成熟，易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。但是數(shù)字電位器精度不是很高而且相對(duì)誤差不固定，有源濾波器的濾波參數(shù)與待調(diào)數(shù)字電位器的阻值往往不是呈線性關(guān)系，因此會(huì)給系統(tǒng)帶來較大的誤差。方案二：使用FPGA設(shè)計(jì)數(shù)字FIR濾波器，再由D/A輸出為模擬信號(hào)。具體方案如下：利用數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)思路，首先使用A/D對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，再經(jīng)由FPGA進(jìn)

32、行FFT變換、FIR濾波，最后由D/A輸出模擬信號(hào)，需要時(shí)輸出級(jí)輔以RC平滑濾波。該方案不僅具有很高的精度，而且濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)極為靈活，不僅能方便調(diào)節(jié)濾波器的各種參數(shù)，甚至連濾波器種類、階數(shù)等都可以方便調(diào)節(jié)功能極其強(qiáng)大。但是整套設(shè)計(jì)成本太過昂貴，且實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，對(duì)硬件知識(shí)以與軟件編程要求較高。方案三：使用專門的集成開關(guān)電容型濾波器應(yīng)用于所需的設(shè)計(jì)中。具體方案如下：利用開關(guān)電容原理制成的集成濾波器芯片，可由外部振蕩器控制開關(guān)電容的頻率達(dá)到改變?yōu)V波參數(shù)的目的。可以利用可程控信號(hào)發(fā)生器代替外部固定頻率時(shí)鐘輸入，以實(shí)現(xiàn)濾波參數(shù)的可控。該方案整套設(shè)計(jì)成本低廉，電路相對(duì)簡(jiǎn)單且使用集成芯片，因此性能穩(wěn)定.且

33、具有較高精度，濾波參數(shù)調(diào)節(jié)通過MCU控制，較為方便。通過如上的幾組設(shè)計(jì)比較可以得出使用專用的集成開關(guān)電容型濾波器來設(shè)計(jì)程控濾波器較為理想，可實(shí)現(xiàn)達(dá)到所需精度下的快速開發(fā)的特點(diǎn)，故本課題采用方案三，如下將對(duì)方案三具體設(shè)計(jì)做如下論證。3.2 基于MAX262的程控濾波器設(shè)計(jì)方案論證本課題由電源模塊、MCU控制器模塊、顯示模塊、鍵盤控制模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、程控濾波器模塊組成，具體關(guān)系詳見下圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)硬件總框圖下面著重幾個(gè)模塊論證上述模塊的設(shè)計(jì)方案。3.2.1時(shí)鐘產(chǎn)生模塊的論證與選擇實(shí)際時(shí)鐘產(chǎn)生模塊需要產(chǎn)生相應(yīng)10Hz-14MHz按相應(yīng)步進(jìn)加減可調(diào)時(shí)鐘按(或固定時(shí)鐘信號(hào))，以配合MA

34、X262正常工作；對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生，可選方案如下：方案一：測(cè)試方案，即選擇外置信號(hào)發(fā)生器接入，此方案僅限于濾波模塊測(cè)試使用，具體設(shè)計(jì)如下圖3-2所示：圖3-2 MAX262濾波器模塊測(cè)試圖值得注意的是輸入信號(hào)為TTL電平的時(shí)鐘信號(hào)(占空比是否為50%并不重要)。方案二：產(chǎn)生固定時(shí)鐘方案，具體設(shè)計(jì)如下：(1)使用固定晶振方案，即使用輸入允許頻率圍的有源晶體振蕩器，具體設(shè)計(jì)如下圖3-3所示： 圖3-3 MAX262濾波器模塊接入時(shí)鐘使用固定晶振方案圖利用MAX262片整形起振電路，即可使接入有源晶體振蕩器產(chǎn)生所需的時(shí)鐘，此種方案使用方法相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，但接入頻率固定，有源晶體振蕩器較RC元器

35、件誤差較小，產(chǎn)生頻率相對(duì)穩(wěn)定。(2)使用振蕩RC網(wǎng)絡(luò)方案，具體設(shè)計(jì)如下圖3-4所示： 圖3-4 MAX262濾波器模塊接入時(shí)鐘使用RC振蕩網(wǎng)絡(luò)方案圖利用MAX262片整形起振電路，即接入RC振蕩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生所需的時(shí)鐘，此種方案使用方法教簡(jiǎn)單，成本最較低，但接入頻率固定，而且RC元器件有誤差，產(chǎn)生頻率不穩(wěn)定。方案三：產(chǎn)生可調(diào)時(shí)鐘方案，具體設(shè)計(jì)如下：(1)使用以DDS模塊AD9850產(chǎn)生相應(yīng)所需頻率可調(diào)正弦波，輔以整形電路產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)鐘即可。(2)使用FPGA對(duì)其固有時(shí)鐘進(jìn)行可編程分頻，產(chǎn)生所需時(shí)鐘。 綜上所述，時(shí)鐘模塊選用方案三，兼顧成本與實(shí)際需求，故采用方案三(1)，即采用DDS集成芯片AD9850

36、輔以相應(yīng)整形電路產(chǎn)生步進(jìn)可調(diào)時(shí)鐘。AD9850模塊使用40M有源晶體振蕩器充當(dāng)起振時(shí)鐘，在此條件下DDS模塊理論可產(chǎn)生正弦波最大不失真頻率為20MHz(參照AD9850模塊部分)，故可滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。3.2.2程控濾波器模塊的論證與選擇本課題針對(duì)使用MAX262作為程控濾波器芯片，控制時(shí)注意供電方式即可：MAX262提供多種供電方式，即使用單電源或雙電源供電，不同供電方式對(duì)輸入信號(hào)濾波效果不同。(1)使用8051架構(gòu)MCU控制時(shí)，選用5V雙電源供電。(2)使用FPGA的NIOSII32位控制時(shí)，選用3.3V雙電源供電。綜上所述，選擇程控濾波器模塊的供電模式與具體選擇MCU類型有關(guān)，滿足實(shí)際設(shè)

37、計(jì)要求即可，本方案采用8051架構(gòu)MCU，故選用5V雙電源方式給程控濾波器模塊供電。3.2.3鍵盤模塊的論證與選擇實(shí)際鍵盤模塊需要為程控濾波器模塊提供兩位加/減步進(jìn)頻率按鍵，以配合MAX262濾波中心頻率調(diào)整；對(duì)于鍵盤模塊設(shè)計(jì)，可選方案如下：方案一：由4*4矩陣鍵盤組成鍵盤模塊。此種方案占用8位I/O口，較為浪費(fèi)I/O口資源，但后期維護(hù)與功能拓展較為方便。方案二：由2位獨(dú)立鍵盤組成鍵盤模塊。此種方案占用2位I/O口，資源占用較為合適，并使用低有效的方式接入，性能穩(wěn)定，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)要求，從簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路連接的角度看較為實(shí)用。方案三：由STC12C5A60S2系列MCU置ADC

38、模塊加以2位獨(dú)立鍵盤與電阻組成鍵盤模塊(僅占1位I/O口)，即通過不同電阻值量化判斷哪位被按下觸發(fā)。此種方案占用1位I/O，最為節(jié)省I/O口,但頻繁調(diào)用MCU的ADC模塊，使用MCU處理負(fù)擔(dān)增加，并增加編程負(fù)擔(dān)(移植性不好)，削弱系統(tǒng)穩(wěn)定性。綜上所述，鍵盤模塊選用方案二，即使用2位獨(dú)立鍵盤組成鍵盤模塊。3.2.4 MCU控制模塊的論證與選擇實(shí)際MCU控制模塊需要足夠I/O口，以協(xié)調(diào)其他模塊的間的通信；對(duì)于MCU控制模塊設(shè)計(jì)，可選方案如下：方案一：選用51架構(gòu)MCU組成MCU控制模塊。此種方案利用8位MCU，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)要求，從簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路與成本的角度看較為實(shí)用。方案二：選用DSP組成MCU控制

39、模塊。此種方案性能穩(wěn)定，但性價(jià)比較低。方案三：選用FPGA(NIOS2軟核)組成MCU控制模塊。使用FPGA生成32位NIOS2處理器并將時(shí)鐘生成模塊生成與同一FPGA芯片，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，開發(fā)周期短，易于實(shí)現(xiàn)SOPC片上系統(tǒng)，但設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，故不采用。綜上所述，考慮開發(fā)時(shí)間和成本控制模塊選用方案一，即使用8位STC12C5A60S2系列MCU。3.2.5顯示模塊的論證與選擇實(shí)際顯示模塊需要實(shí)現(xiàn)美觀的人機(jī)交互模式，使用I/O口數(shù)量；對(duì)于顯示模塊設(shè)計(jì)，可選方案如下：方案一：選用LCD1602組成顯示模塊。此種方案利用LCD1602液晶顯示器，只有并行接入方式其占用I/O口較多，且不能顯示漢字點(diǎn)陣字

40、模，成本較為適中，但顯示區(qū)域較小只為16行2列，每個(gè)字符大小為58像素，沒有繪圖模式，顯示不靈活。方案二：選用LCD12864組成顯示模塊。此種方案利用LCD12864液晶顯示器的串行接法，I/O口資源占用較為合適，最小使用2位I/O口(SPI模式)，性能穩(wěn)定，完全可以滿足設(shè)計(jì)顯示漢字字模的要求，并可以開啟繪圖模式，支持自定義字符，從簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路連接的角度看較為實(shí)用。方案三： 選用多位數(shù)碼管組成顯示模塊。此種方案占用I/O口較多且電路復(fù)雜，但成本最低。綜上所述，考慮開發(fā)時(shí)間和成本控制模塊選用方案二，即使用LCD12864組成顯示模塊。3.2.6電源模塊電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為

41、整個(gè)系統(tǒng)提供5V，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡(jiǎn)單，都采用三端穩(wěn)壓集成芯片實(shí)現(xiàn)，故不作詳述。第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)濾波器系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法要求較為苛刻，設(shè)計(jì)時(shí)必須從多方面因素考慮，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試與驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，濾波器系統(tǒng)極易受到電磁干擾。故硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須十分注意各種信號(hào)的干擾，本章將分模塊具體介紹硬件設(shè)計(jì)方案。4.1 MCU控制器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1.1STC5A60S2系列芯片簡(jiǎn)介STC12C5A60S2系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。部集成MAX

42、810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250kHz)，可直接應(yīng)用于電機(jī)控制與強(qiáng)干擾場(chǎng)合，具體與如下特點(diǎn)：1. 增強(qiáng)型 8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。2. 寬工作電壓：3.3V-5.5V。3. 工作頻率圍：0 - 35MHz(相當(dāng)于普通8051的0420MHz)。4. 工作溫度圍：0 - 75(商業(yè)級(jí))。5. 多種封裝：PDIP-40，LQFP-44，LQFP-48。6. 片上集成ROM/FLASH62K字節(jié)，片上集成RAM1280字節(jié)。7. PDIP封裝通用40個(gè)I/O口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉。I/O口可程控設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)

43、雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個(gè)I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過55mA。8. ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。9. 芯片置硬件看門狗并且部集成MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地)。10. 三種時(shí)鐘源：外部高精度晶體、時(shí)鐘與部R/C振蕩器。用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘。常溫下部R/C振蕩器頻率為： 11MHz 15.5MHz。當(dāng)精度要求不高時(shí)，可選擇使用部時(shí)鐘

44、，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)。11. 共4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器。2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T 輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘。外部中斷I/O 口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4,T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置

45、到P4.2), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設(shè)置到P4.3)。12. PWM/PCA (2 路)可用來當(dāng)2 路D/A、2個(gè)定時(shí)器或2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持)使用。13. A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250kHz。14. 通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA 軟件實(shí)現(xiàn)多串口。4.1.2 STC5A60S2系列單片機(jī)引腳說明本課題采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)芯片，40個(gè)引腳中，正電源線和地線共兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，其他功能I/O口見下圖4

46、-1所示：圖4-1 STC5A60S2系列單片機(jī)引腳圖4.1.3MCU控制器模塊原理圖本課題設(shè)計(jì)的MCU控制器模塊實(shí)際電路原理圖如下圖4-2所示：圖4-2 MCU最小系統(tǒng)原理圖4.2 UI界面模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.2.1 顯示模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.2.1.1 液晶顯示器LCD12864簡(jiǎn)介帶中文字庫的LCD128X64是一種具有4位/8位并行、SPI(串行)多種接口方式，部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 置8192個(gè)1616點(diǎn)漢字，和128個(gè)168點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示

47、84行1616點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于一樣點(diǎn)陣的圖形液晶模塊，故較為實(shí)用。4.2.1.2 液晶顯示器LCD12864主要管腳說明本課題采用20Pin封裝的單列LCD12864接口雙列，引腳功能見下表4-1所示：表4-1 LCD12864管腳功能描述管腳號(hào)管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC+5V電源正3V0-對(duì)比度(亮度)調(diào)整4RS(CS)H/LRS=“H”,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7DB0為顯示指

48、令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號(hào)7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式(見注釋1)16NC-空腳17RESETH/L復(fù)位端，低電平有效(見注釋2)18VOUT-LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端19AVDD背光源正端(+5V)(見注釋3)20KVSS背光

49、源負(fù)端(見注釋3)4.2.1.3 顯示模塊原理圖本課題設(shè)計(jì)的顯示模塊實(shí)際電路原理圖如下圖4-3所示：圖4-3 顯示器LCD1286 SPI模式原理圖使用LCD12864的SPI接法實(shí)現(xiàn)顯示模塊的最小占用MCU的I/O口設(shè)計(jì)方法，具有一定推廣意義。4.2.2 鍵盤控制模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.2.2.1鍵盤控制模塊原理圖本課題設(shè)計(jì)的鍵盤控制模塊使用低有效的設(shè)計(jì)方案，具體實(shí)現(xiàn)如下圖4-4所示：圖4-4 鍵盤模塊原理圖4.3 時(shí)鐘產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.3.1 DDS芯片AD9850簡(jiǎn)介AD9850是AD公司采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)生產(chǎn)的直接頻率合成器(DDS)，其最高接入時(shí)鐘頻率為125 MHz，由可編程DD

50、S系統(tǒng)、高性能模數(shù)變換器(DAC)和高速比較器三部分構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成，并具有時(shí)鐘產(chǎn)生功能。AD9850的DDS系統(tǒng)包括相位累加器和正弦查找表，其中相位累加器由一個(gè)加法器和一個(gè)32位相位寄存器組成，相位寄存器的輸出與外部相位控制字(5位)相加后作為正弦查找表的地址。正弦查找表實(shí)際上是一個(gè)相位/幅度轉(zhuǎn)換表，它包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0360圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查找表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)10bit的DA變換器，輸出2個(gè)互補(bǔ)的電流，其幅度可通過外接電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。AD9850還包括一個(gè)高速比較器，將DA變換器的輸出經(jīng)外部低通濾

51、波器后接到此比較器上即可產(chǎn)生一個(gè)抖動(dòng)很小的方波，這使得AD9850可以方便地用作時(shí)鐘發(fā)生器。AD9850包含40位頻率/相位控制字，可通過并行或串行方式送入器件。4.3.2DDS芯片AD9850引腳說明本課題采用28腳SSOP 封裝的芯片，具體引腳圖如下圖4-5所示：圖4-5 時(shí)鐘產(chǎn)生模塊原理圖4.3.3 時(shí)鐘產(chǎn)生模塊原理圖本課題設(shè)計(jì)的時(shí)鐘產(chǎn)生模塊實(shí)際電路原理圖如下圖4-6所示：圖4-6 時(shí)鐘產(chǎn)生模塊原理圖4.4 程控濾波器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.4.1程控濾波器芯片MAX262簡(jiǎn)介MAX262是一種使用CMOS制作工藝，兼有雙二階通用開關(guān)電容型有源濾波器特性，可由微處理器精確、獨(dú)立控制濾波函數(shù)產(chǎn)生

52、相應(yīng)帶通、低通、高通、帶通和全通配置的濾波器，并且不需要添加外部元件即可使用。每片產(chǎn)品含有兩個(gè)獨(dú)立的二階濾波器，其均可在微處理器的系統(tǒng)程序設(shè)置其中心頻率、品質(zhì)因數(shù)和濾波器所處工作方式的相應(yīng)控制狀態(tài)字，已達(dá)到相應(yīng)控制目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同選型的濾波器相應(yīng)濾波功能。輸入時(shí)鐘頻率與6位(的比值)中心頻率控制狀態(tài)字一起決定濾波器的中心頻率(或截止頻率)，其控制獨(dú)立不影響其它濾波參數(shù)；同理，每個(gè)濾波器的品質(zhì)因數(shù)(值)也可由獨(dú)立的7位品質(zhì)因數(shù)控制狀態(tài)字來控制。每個(gè)濾波器的獨(dú)立時(shí)鐘輸入端可以由晶振、RC網(wǎng)絡(luò)或外部時(shí)鐘產(chǎn)生器來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘輸入。4.4.2程控濾波器芯片MAX262引腳說明本課題采用24腳SOP封裝的芯

53、片，具體引腳圖如下圖4-7所示：圖4-7 MAX262的引腳排列圖引腳功能具體見下表4-2所示： 表4-2 MAX262引腳說明MAX262引腳名稱功能9正電源電壓輸入端。16負(fù)電源電壓輸入端。17模擬地。對(duì)雙電源工作接到系統(tǒng)地；對(duì)單電源工作接到1/2電源電壓。在單電源應(yīng)用中.GND端應(yīng)很好地旁路。11濾波器A部分時(shí)鐘輸入端與外接晶體振蕩器輸入端。此時(shí)鐘在部被二分頻。12濾波器B部分時(shí)鐘輸入端。此時(shí)鐘在部被二分頻。8晶體振蕩器和RC振蕩器工作的時(shí)鐘輸出端。18振蕩器輸出端。與晶體振蕩器或R-C振蕩器相連，可用于自同步。5,23濾波器信號(hào)輸入端。1,21帶通濾波器輸出端。24,22低通濾波器輸出

54、端。3,20高通/陷波/全通濾波器輸出端。15寫允許輸入端。當(dāng)電平有效，即數(shù)據(jù)端可以寫入以完成濾波器的與、工作模式的設(shè)置。此外，還可以接收TTL電平信號(hào)，并且上升沿可鎖存輸入數(shù)據(jù)。14,11,10,7地址輸入端。完成對(duì)濾波器工作模式、和的相應(yīng)設(shè)置。13,6數(shù)據(jù)輸入端。完成對(duì)濾波器工作模式、和的相應(yīng)設(shè)置。2MAX262運(yùn)算放大器的輸出端。4MAX262運(yùn)算放大器的反向輸入端(同相輸入在部連接到地)。設(shè)計(jì)使用MAX262時(shí)，當(dāng)接入時(shí)鐘頻率1.2MHz時(shí)選擇模式2(或模式3)，值的誤差比較?。环粗?，選擇模式1(或模式4)，值的誤差比較??；當(dāng)接1.7MHz時(shí)選擇模式2(或模式3)，的誤差比較??；反之，

55、選擇模式1(或模式4)，的誤差比較小。綜上所述，可以得出1.2MHz時(shí)選擇模式2(或模式3)，反之，選擇模式1(或模式4)濾波系統(tǒng)相對(duì)精確。4.4.3程控濾波器模塊原理圖本課題設(shè)計(jì)的程控濾波器模塊實(shí)際電路原理圖如下圖4-8所示：圖4-8 程控濾波器模塊原理圖實(shí)際使用MAX262時(shí)其輸入阻抗比較大(=250M)，并且信號(hào)輸入端對(duì)地約有5pF固定電容，一般不需要匹配輸入阻抗。同時(shí)，在控制濾波器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)濾波特性的同時(shí)，寫入濾波器數(shù)據(jù)端和地址端的信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲，故相應(yīng)信號(hào)線可以用鎖存器緩沖相應(yīng)寫入信號(hào)的突變改善濾波效果，實(shí)際電路原理圖如下圖4-9所示：圖4-9 程控濾波器模塊鎖存器緩沖模塊原理圖濾波器系統(tǒng)另一個(gè)必須考慮的問題就是開關(guān)電容型濾波器濾波特性比較偏向數(shù)字濾波器，即輸出波形為臺(tái)階狀的信號(hào)，并且輸出波形的階梯狀以部采樣速率出現(xiàn)，消除此現(xiàn)象可使用一級(jí)單級(jí)點(diǎn)平滑濾波器(處)消除，實(shí)際電路原理圖如下圖4-10所示：圖4-10 程控濾波器模塊鎖存器緩沖模塊原理圖當(dāng)設(shè)計(jì)多級(jí)濾