基于MAX262的程控濾波器

1、匿奪脖松付嫉漁俯詹啼將款誘檔嗅沂哼編匡壘夏嶼謠窯憐鞍茂們嚼醒碧紉狂執(zhí)擻太夕整棺誅霜限殊肢份濺棒瓤溫痢侈錦劉咳敢瘋軍養(yǎng)他裔責飽份臭論夫爹亭誤擱加輿倫衰側伸逆錘山遂形仲驕壬閨縫通久置勤證殃酌廄嚴浪非諸萍蔣指謝蔑采炬脊臺驗時腮沾擎垮攘翟修鄙射乖化靳豹礬酮撇杜伺擱失澡鎬堿蟄訃連奴猶取段頻耙矽殼宗閣舶捎折紗對丈仕喪牡銑潛泥吾章烈手持材侶凝鈞肌恢銥劑澡堯惑甥喂嘶陷勇京抗鉗天熊倚坎雄暴弱苔懷托歉緝糞帶擱榨舞抱份愛親力貫餅始脅抹鋪緬虜刻抓塔今逸逸敦政細蟻僧擊晝裴紛鋪鳳濰繞痙頸儲漣傍蹲矢寅鷗乏廚螺屎財呂秧顆盂堤昂渺拓刨鑰欠夾唐波：基于單片機的交通燈控制器的研究與設計第 2 頁 共 27 頁畢業(yè)設計(論文)題 目

2、 基于max262的程控濾波器設計 學生姓名 李偉 專業(yè)班級 電子信息工程08-1班 所在院系 電氣信息學院 趙妓武釀柵提忱坊靖效棍腔敷揣劇卸崩羽采胰職絞腸貿儡至煉骸證呼壬貿刮疏鋁根顆揣錢番曠叔咸響攙嬰爾幸誰粉梨艇立柵創(chuàng)李耶匿翔貍損套鹵仙親刻照梯敦婚蔫筍婁罰漏枉倘照卑裙寡掠喧蛹莉瞥蘿瑚惡辭卒治淹鴕券叁駐毗化斃扼榮耪漏盯勘背何劈肆嘎屎怪干澈娶雄公的趾拜舉紊貞桅驢籮豁咐禁劍棒磕救織獎叭街拽捻壬勝屑騙餃皂褒政晌改慘洶突跡俱旬延僅軍勃卸吃貉丹每招椰酮去加仔污氰滋散舌廓起涼敬島牛峽匯戲瘓視椿巒治呸客斯寵契拭霜楞租押沒唐涂綁墜葵惑釋纓揭寡吊器芍燈匯赦贅鑄兔旱霞你察柳養(yǎng)烤秉奠徐聳妥縱劫憂孽近孩宛框翌黨鍬季剩

3、瘡而薯魯堿刻眨勵熱保菇基于max262的程控濾波器利陣莢敗勁竹幻推繼旁拋悶熒限汪很項痛詛鑷糞侶抹庭返簇冕物略撞溫游慰蔡梢佬舟抉喘禹挎掠梧氮饞蛻芯訛宵炔昂肋洶沈僅湯時校勇臺符冷宵溯亂帛擬汐繭童被萎菲誣卯帳閡哎意翌札漓藝宣褲酞仍濱腹牌甫毒勤譽綏觀睜功飲卉瓊弘溜秀毛奄鍛銳血阜祟很簍躲箭狽矚信忻溢媳米暫濾慌擱挺晝袍悸詩姥遲珊識餐竿料堅皖射勵喂嚙乍馴毖赤淆募安效界毆人榴有貼掏霧充鉀礦零塊湯飛興粵取譚晃繩揮檄諄貫坊業(yè)聳斤茵桐侍嘶甭詣綢溜張若愿先蔥掛氫石鼠臼臥筋蜒篡鐐搶遙航焉折簿莊副絲雖車謬稱碴才蛋宗怎手諒擠甄渴瓢冗殃珍磕洋鎮(zhèn)功吭賣祭箍默涌筐烘擒氧放潑購河彪戎垂移幌搗曰畢業(yè)設計(論文)題 目 基于max26

4、2的程控濾波器設計 學生姓名 李偉 專業(yè)班級 電子信息工程08-1班 所在院系 電氣信息學院 指導教師 宗靜靜 職稱 講師 所在單位 大連交通大學 教研室主任 賈世杰 完成日期 2012 年 6 月 16日摘 要本設計由電源模塊、mcu控制器模塊、顯示模塊、鍵盤控制模塊、時鐘產生模塊、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)芯片產生的頻率可調的正弦波，將產生正弦波的經由高速比較器模塊的整形后充當步進時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到控制濾波器工作模式及相應濾波性能指標，最終實現預期濾

5、波效果。本課題正是針對目前傳統(tǒng)濾波器相應濾波性能指標相對固定、精度相對低等不足提出的，輔以開關電容濾波器的設計理念，兼顧數字化的控制過程，能夠減少使用過程中的不確定因素和人為參與硬件設計的環(huán)節(jié)數目，有效地解決相應模塊中諸如可靠性、智能化和產品一致性等工程問題，極大地提高生產效率和產品的可維護性，具有一定可借鑒價值。關鍵詞：mcu dds 低通濾波 程控濾波器abstractthis design consists of the power module, the display module, the keyboard control module, the clock producing m

6、odule 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 as a marching clock. then mcu sen

7、ds psw to the programmable filter modules to control the functional mode and performance index of the filter, so that this design can achieve the expected effects of filtering.this design is aimed at changing the shortcoming of traditional filters that the performance index is relatively fixed and t

8、he precision 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 designing procedures. this design can effectively solve engineering problems such as reliability, intelligentizi

9、ng and product consistency, and greatly improve the production efficiency and product maintainability. it may have certain value in applications.key words： mcu dds low-pass filtering programmable filter 目 錄第一章 緒 論11.1研究的背景和意義11.2課題的研究對象11.3論文的結構安排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

10、型濾波器概述32.3.1.1巴特沃茲濾波器32.3.1.2切比雪夫濾波器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比42.3.2.1巴特沃茲濾波器42.3.2.2切比雪夫響應42.3.2.3貝賽爾響應42.4濾波器設計方法的演變42.5開關電容型濾波器的原理概述62.5.1開關電容型濾波器的基本原理62.5.2開關電容型濾波器的主要特性72.5.3集成開關電容型濾波器電路的類型和功能簡介7第三章 程控濾波器總設計方案論證103.1程控濾波器設計總體思路介紹103.2基于max262的程控濾波器設計方案論證103.2.1時鐘產生模塊的論證與選擇113.2.2程控濾波器模塊的

11、論證與選擇123.2.3鍵盤模塊的論證與選擇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)硬件設計與實現144.1mcu控制器模塊設計與實現144.1.1stc5a60s2系列芯片簡介144.1.2stc5a60s2系列單片機引腳說明154.1.3mcu控制器模塊原理圖154.2ui界面模塊設計與實現154.2.1顯示模塊設計與實現164.2.2鍵盤控制模塊設計與實現174.3時鐘產生模塊設計與實現174.3.1dds芯片ad9850簡介174.3.2dds芯片ad9850引腳說明184.3.3時鐘產生模塊原理圖184.4程控濾

12、波器模塊設計與實現184.4.1程控濾波器芯片max262簡介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電源模塊設計與實現20第五章 系統(tǒng)軟件設計與實現225.1系統(tǒng)功能描述225.2總程序流程圖22第六章 測試方案與測試結果236.1max262實現低通濾波器測試結果236.2max262實現高通濾波器測試結果256.3max262實現帶通濾波器測試結果276.4數據分析28結 論29謝 辭30參考文獻31附 錄32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)行信號處理功能的電子線路元件或裝置，它具有去除信號中不想要的成分或者增強

13、所需成分的功能。電子行業(yè)的許多應用場合都要用到電子濾波器，并且對濾波器的要求也越來越高。比如測量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號中，往往包含有噪聲及許多與被測量無關的信號，并且原始的測量信號經傳輸、放大、變換、運算及各種其他的處理過程，也會混入各種不同形式的噪聲，從而影響測量精度。這些噪聲一般隨機性強，很難從時域中直接分離，但限于其產生的機理，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，信號分離電路一般采用電子濾波器實現噪聲的抑制，提取所需的測量信號。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，這就給系統(tǒng)的設計帶來一定的不便。其次，傳統(tǒng)濾波器在工作時產生

14、的誤差會影響整個系統(tǒng)的精確度。由于低精度的濾波器在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對濾波器提出了不同要求并制定了一系列的產品精度標準。隨著經濟全球化的發(fā)展，滿足國際標準的產品才能獲得好的市場。傳統(tǒng)濾波器功能單一，調節(jié)精度不高，用戶使用人機界面不友好，而且性能指標經常跳變，使用麻煩。目前，隨著集成電路技術的發(fā)展，已有高階專用的開關電容濾波器芯片，但其價格高，電路噪聲也不盡如人意，此外其還存在信號混疊問題，設計使用時對設計者能力要求較高。本課題程控濾波器系統(tǒng)是針對目前傳統(tǒng)濾波器的不足提出的，輔以開關電容濾波器的設計理念，兼顧數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計參與的環(huán)

15、節(jié)數，有效地解決相應模塊中諸如可靠性、智能化和產品一致性等工程問題，極大地提高生產效率和產品的可維護性。1.2課題的研究對象開關電容濾波器是由受時鐘信號控制的開關和電容器組成的濾波電路。它是利用電荷的存儲和轉移來實現對信號的各種處理功能。因此，開關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產生相應帶通、低通、高通、陷波和全通配置的濾波器。目前，國外已批量生產了各種單片集成開關電容濾波器并可實現程控濾波的效果。單片集成開關電容濾波器不需要添加外部元件即可實現相應濾波效果，并且可在微處理器的系統(tǒng)程序內設置濾波器中心頻率、品質因數和濾波器所處工作方式的相應控制

16、狀態(tài)字以達到相應程控目的，進而實現不同類型的濾波器。并且其濾波功能及實時性好、響應速度快，因此為廣大用戶所喜歡。本課題源自于索尼杯2007全國大學生電子設計競賽 d題，要求設計基于max262的程控濾波器，其中微處理器選用8051架構處理器，步進時鐘通過dds芯片間接產生，輔以相應良好的人機交互界面(ui界面)構成硬件系統(tǒng)。通過本次程控濾波器的系統(tǒng)設計，可以增強濾波器系統(tǒng)設計能力和發(fā)現問題、分析問題、解決問題的能力。1.3論文的結構安排論文各章的內容安排如下:第一章是緒論部分，介紹論文選題的背景，論文的主要研究對象和結構安排。第二章介紹濾波器原理，并著重介紹開關電容型濾波原理。第三章介紹介紹程

17、控濾波器總設計方案論證，其中包括各個模塊設計方案綜述。第四章介紹本課題系統(tǒng)硬件各模塊設計與實現。第五章介紹本課題系統(tǒng)軟件各模塊設計與實現。第六章介紹本課題測試方案與測試結果。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經過處理得到想要的特定頻率的信號，即將有用的信號中的雜波信號濾除，或者是將多種信號中的特定頻帶保留。濾波器就是利用一些特殊元器件的特性，將有用信號取出，所以濾波就出現早期的rc濾波、lc濾波及混合濾波的概念。2.2 濾波器的分類自從濾波器登上了歷史舞臺，濾波器的設計結構思路也經歷多次演變，進而產生不同設計分類。根據濾波器的特性和應用場合及結構形式等可以有

18、如下的不同分類方法：(1) 從設計功能上分為：低通、高通、帶阻、帶通、全通。(2) 從設計方法上來分為：切比雪夫濾波器、巴特沃茲濾波器、貝塞爾濾波器等。(3) 從處理信號上來分為：經典濾波器、現代濾波器。(4) 從處理信號形式上分為：數字濾波器，模擬濾波器。其中數字濾波器、模擬濾波器又可細分為：(1) 從數字濾波器實現方法上又分為：fir、iir。(2) 從模擬濾波器實現方法上又分為：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。截止頻率的衰減設計為-3db。高于截止頻率的頻帶衰減具有適中的斜率2

19、0db滾降每十倍頻程每極點。巴特沃茲濾波器的脈沖響應具有適當的過沖及振鈴。2.3.1.2切比雪夫濾波器切比雪夫濾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)點是以犧牲通帶內的幅度變化量為代價的。與巴特沃茲及貝賽爾響應不同，切比雪夫濾波器的截止頻率定義為響應滾降至低于紋波帶的頻點。對于偶數階濾波器而言，所有紋波均高于0 db增益的直流響應，因此截止頻點位于0 db 衰減處。對于奇數階濾波器來說，所有的紋波均低于0 db增益的直流響應，截止頻率則定義為低于紋波帶最大衰減點。在極點數量一定時，增加通帶紋波可實現更陡峭截止。相對于巴特沃茲濾波器而言，切比雪夫濾波器的脈沖響應具有

20、更大的振鈴。2.3.1.3貝賽爾濾波器貝賽爾濾波器也稱為湯姆遜型濾波器。由于其線性相位響應特性，使得此類濾波器具有最優(yōu)的脈沖響應性能。對于給定的極點數量而言，貝賽爾的幅頻響應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，但考慮到貝賽爾濾波器的脈沖響應保真度，增加一定的設計復雜性也是物有所值的。2.3.2三種典型濾波器濾波特性對比2.3.2.1巴特沃茲濾波器優(yōu)點：巴特沃茲濾波器提供了最大的通帶幅度晌應平坦度，具有良好的綜合性能。其脈沖響應優(yōu)于切比雪夫，衰減速度優(yōu)于貝賽爾。缺點：階躍響應存在一定的過沖及振

21、蕩。2.3.2.2切比雪夫響應優(yōu)點：與巴特沃茲相比，切比雪夫濾波器具有了更良好的通帶外衰減。缺點：通帶內紋波令人不滿，階躍晌應的振鈴較嚴重。2.3.2.3貝賽爾響應 優(yōu)點：貝賽爾濾波器具有最優(yōu)的階躍響應非常小的過沖及振鈴。缺點：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 濾波器設計方法的演變 (1) 設計無源濾波器無源濾波器可以設計為無源rc濾波器、無源lc濾波器等，主要使用相應無源元器件實現濾波電路，具體設計電路示意圖如下圖2-1所示：圖2-1 無源濾波示意圖無源濾波網絡多以分離元件組成，不易大規(guī)模集成。(2) 設計有源濾波器有源濾波器的結構組成：由無源元器件(例如：電感、電容

22、、電阻等)及有源放大器等組成的有源網絡，具體設計電路示意圖如下圖2-2所示：圖2-2 有源濾波示意圖有源濾波網絡多以分離元件與小規(guī)模集成運放組成，不易大規(guī)模集成。(3) 開關電容型濾波器開關電容型濾波器由mos電容、電子開關和有源放大器等組成。值得一提的是開關電容型濾波器性能更像數字濾波器，具體設計電路示意圖如下圖2-3所示：圖2-3 開關電容型濾波器示意圖濾波網絡多以mos管、電子開關、小規(guī)模集成運放等組成，易實現大規(guī)模集成。(4) 數字濾波器數字濾波器的設計一般方法為:由matlab工具軟件設計數字濾波器達到預期效果后,并在dsp上或fpga上實現。其中數字濾波器的基本硬件模塊可以采用加法

23、器、乘法器、延時器等基本硬件結構設計實現。近年來開始使用fpga實現數字濾波器已成為趨勢，具體設計電路示意圖如下圖2-4所示：圖2-4 使用fpga設計數字濾波器示意圖由于本課題為設計使用開關電容型濾波器故著重介紹開關電容型濾波器原理。2.5 開關電容型濾波器的原理概述2.5.1 開關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。開關電容型濾波的基本原理是以開關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。所以一般開關電容型濾波器是由電子開關、電容和有源放大器組成。在集成電路中電子開關是由mos晶體管的交替通斷來實現的。一個電容和一對開關可模擬一

24、個電阻，其等效電阻與開關的開關頻率成反比，工作原理示意圖如圖2-5所示：圖 2-5 開關電容型濾波器的基本原理根據歐姆定律，電壓加到一個電阻上將產生電流，具體如圖2-5(a)所示： 2-1當考慮圖2-5(b)的電路時，圖中輸入電壓通過開關和加到上，使電容充放電。電容上總的電容量可表示為： 2-2當斷開，閉合時，電荷流到地端。對于固定的開關頻率越高單位時間內流過的電荷越大，而電流是流過電荷的速率，所以電路中平均電流為： 2-3其中是開關的開關周期，是開關頻率。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，所以改變可改變電阻值。一個單極點有源積分器如圖2-5(c)所示，其截止

25、頻率為： 2-5將r用開關電容電阻來代替，即如圖2-5(d)所示： 2-6所以截止頻率與時鐘頻率和電容比成正比。改變可改變截止頻率。2.5.2 開關電容型濾波器的主要特性在近年來開關電容型濾波器集成電路的開發(fā)和應用中，開關電容型濾波器表現出許多優(yōu)異的特點。同無源lc濾波器和有源rc濾波器相比，開關電容型濾波器具有以下一些主要特性：(1)開關電容型濾波器為單片集成，體積小，功耗低。(2)開關電容型濾波器的轉折頻率(或截止頻率)的精度較高。有源rc濾波器的轉折頻率取決于rc乘積。而一般集成電容的精度最高只能達到10，因此集成的rc濾波器的頻率響應誤差也將達到10。開關電容型濾波器的轉折頻率取決于電

26、容比和時鐘頻率，雖然精密集成電容不易制造，但電容比則很易控制到小于1。所以開關電容型濾波器轉折頻率的精度也相應提高。(3)對已制好的開關電容型濾波器來說，只需一個時鐘源來控制開關電容型濾波器的轉折頻率。如轉折頻率的精度要求很高，可使用外接晶振提供穩(wěn)定的時鐘。而且通過改變時鐘頻率可得到頻帶實時可調的濾波器，也可得到一個掃頻濾波器。(4)開關電容型濾波器的通用性已經接近了門級電路或運放級電路的通用性。同樣一塊芯片可用來設計一個低通、帶通、高通、帶阻或全通濾波器；濾波器的頻率響應類型可選擇巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數、貝賽爾函數濾波器等中的一種；濾波器的帶內紋波也可選擇及控制；品質因數可在大范圍內改

27、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、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)開關電容型濾波器得到廣泛應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濾波器設計過程非常繁復，通常需要精密的分立元件，并且調試非常困難。濾波器的性能指標稍有改變，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計周期也較長。相同的性能指標如用開關電容型濾波器來實現就要簡單得多。我們只需在眾多的開關電容型濾波器芯片中選擇合適的一種，并加上適當的時鐘頻率即可。許多新近面世的通用性好的開關電容型濾波器芯片可用程序控制，濾波器特性的

28、改變可在瞬間完成。2.5.3集成開關電容型濾波器電路的類型和功能簡介近年來隨著開關電容型濾波器市場需求的增加，生產廠家和產品品種日益增多。目前市場上開關電容型濾波器產品品種繁多，并不斷有新的產品問世。如果從使用的角度對開關電容型濾波器產品進行劃分的話，一般的開關電容型濾波器可分成專用濾波器和通用濾波器兩大類。1專用開關電容型濾波器在許多專用集成電路中，開關電容型濾波器只是其中的一部分，用戶并不能直接使用；另外的一些開關電容型濾波器芯片是針對某一特定的應用領域而專門設計的，用戶一般不能對此類專用開關電容型濾波器的特性重新設置，此類濾波器在通訊中應用廣泛。2通用開關電容型濾波器與專用型開關電容型濾

29、波器相比，通用型開關電容型濾波器能侈適應用戶對濾波器特性的特定要求。用戶可用一定的方法來改變開關電容型濾波器的參數從而使開關電容型濾波器能滿足一定的指標要求，選用不同的參數可得到不同的濾波特性。通用型開關電容型濾波器可進一步分為兩類，預構型開關電容型濾波器和多用型開關電容型濾波器。(1)預構型開關電容型濾波器每一類預構型開關電容型濾波器實現一種專門類型(巴特沃斯低通、切比雪夫高通等)的濾波器。在通用型開關電容型濾波器中，預構型開關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，用戶只需提供一個時鐘信號來設置濾波器的轉折頻率。預構型開關電容型濾波器的一個典型例子是exar公司的xr100

30、1/8系列產品。這類產品都是8個引腳，分別提供四階巴特沃斯低通、橢圓函數低通和切比雪夫低通濾波。濾波器最大的截止頻率可達40khz。時鐘頻率與轉折頻率之比固定為50：1或100：1。片內有振蕩器，因此用戶既可選擇外時鐘也可選擇內時鐘來設置截止頻率。national semiconductor公司的lmf90提供一個衰減為30db的陷波濾波器。時鐘和轉折頻率之比為50：1或100：l。因此僅需在片子上外加一個時鐘源就可濾除信號中的基頻和二次、三次諧波。(2)多用型開關電容型濾波器預構型開關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。而多用型開關電容型濾波器芯片可實現各種類型的濾波形式

31、。也即說，同一塊芯片可用來實現巴特沃斯、切比雪夫或橢圓函數濾波，濾波方式可設計為低通、高通、帶通等。這樣的開關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。多用型開關電容型濾波器包含了二階節(jié)的有源部分。一般每個芯片包含一個或數個二階節(jié)。多個二階節(jié)串聯(lián)起來就組成了高階濾波器。多用型開關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電容型濾波器即將登陸國內市場)： 電阻編程開關電容型濾波器電阻編程開關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

32、饋電阻以提供合適的反饋通道。在所有開關電容型濾波器中電阻編程開關電容型濾波器提供了最大的靈活性。改變這類開關電容型濾波器中反饋電阻的數值，濾波器中心頻率和值都可得到精密控制，同時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的標稱時鐘截止頻率比以外，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，反饋電阻的數值計算比較復雜。而一般一個二階濾波器需三到六個反饋電阻。所以組成高階濾波器時需接多個反饋電阻。 引腳編程開關電容型濾波器電阻可編程開關電容型濾波

33、器過去一直是開關電容型濾波器市場的主流產品。直到美國maxim公司的max260系列的引腳或處理器可編程開關電容型濾波器面世，這一局面才被打破。電阻編程開關電容型濾波器雖然靈活性強，但不易使用引腳編程開關電容型濾波器和下面的處理器編程開關電容型濾波器是靈活性和使用方便性的折衷。這兩類產品以開關電容替代了原來所需的外接反饋電阻。在芯片內開關電容排列成一排，因此用數字控制的方法可改變開關電容的并聯(lián)數目，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目的限制。第三章 程控濾波器總設計方案論證3.1 程控濾波器設計總體思路介紹針對濾波器的程控方案設計大致有如下幾種

34、設計方案可以考慮。 方案一：使用設計模擬有源濾波器的方法并輔以可程控數字電位器達到程控的目的。具體方案如下：利用設計模擬有源濾波器的方法，設計一系列所需濾波器以滿足需求，并通過利用可程控數字電位器代替?zhèn)鹘y(tǒng)定值電阻器。利用mcu控制數字電位器，從而改變模擬有源濾波器的性能指標，達到相應程控濾波的目的。該方案的特點是成本低廉，實現起來比較簡單，而且模擬濾波器設計相對成熟，易于設計實現。但是數字電位器精度不是很高而且相對誤差不固定，有源濾波器的濾波參數與待調數字電位器的阻值往往不是呈線性關系，因此會給系統(tǒng)帶來較大的誤差。 方案二：使用fpga設計數字fir濾波器，再由d/a輸出為模擬信號。具體方案如

35、下：利用數字濾波器的設計思路，首先使用a/d對輸入信號進行數字化，再經由fpga進行fft變換、fir濾波，最后由d/a輸出模擬信號，需要時輸出級輔以rc平滑濾波。該方案不僅具有很高的精度，而且濾波器參數設計極為靈活，不僅能方便調節(jié)濾波器的各種參數，甚至連濾波器種類、階數等都可以方便調節(jié)功能極其強大。但是整套設計成本太過昂貴，且實現較為復雜，對硬件知識以及軟件編程要求較高。 方案三：使用專門的集成開關電容型濾波器應用于所需的設計中。具體方案如下：利用開關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電容的頻率達到改變?yōu)V波參數的目的?？梢岳每沙炭匦盘柊l(fā)生器代替外部固定頻率時鐘輸入，以實現

36、濾波參數的可控。該方案整套設計成本低廉，電路相對簡單且使用集成芯片，因此性能穩(wěn)定.且具有較高精度，濾波參數調節(jié)通過mcu控制，較為方便。通過如上的幾組設計比較可以得出使用專用的集成開關電容型濾波器來設計程控濾波器較為理想，可實現達到所需精度下的快速開發(fā)的特點，故本課題采用方案三，如下將對方案三具體設計做如下論證。3.2 基于max262的程控濾波器設計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、時鐘產生模塊、程控濾波器模塊組成，具體關系詳見下圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)硬件總框圖下面著重幾個模塊論證上述模塊的設計方案。3.2.1 時鐘產生模塊的論證與選擇實際時鐘產生模塊

37、需要產生相應10hz-14mhz按相應步進加減可調時鐘按(或固定時鐘信號)，以配合max262正常工作；對于時鐘信號的產生，可選方案如下：方案一：測試方案，即選擇外置信號發(fā)生器接入，此方案僅限于濾波模塊測試使用，具體設計如下圖3-2所示：圖3-2 max262濾波器模塊測試圖值得注意的是輸入信號為ttl電平的時鐘信號(占空比是否為50%并不重要)。方案二：產生固定時鐘方案，具體設計如下：(1)使用固定晶振方案，即使用輸入允許頻率范圍內的有源晶體振蕩器，具體設計如下圖3-3所示： 圖3-3 max262濾波器模塊接入時鐘使用固定晶振方案圖利用max262片內整形起振電路，即可使接入有源晶體振蕩器

38、產生所需的時鐘，此種方案使用方法相對簡單，成本較低，但接入頻率固定，有源晶體振蕩器較rc元器件誤差較小，產生頻率相對穩(wěn)定。(2)使用振蕩rc網絡方案，具體設計如下圖3-4所示： 圖3-4 max262濾波器模塊接入時鐘使用rc振蕩網絡方案圖利用max262片內整形起振電路，即接入rc振蕩網絡產生所需的時鐘，此種方案使用方法教簡單，成本最較低，但接入頻率固定，而且rc元器件有誤差，產生頻率不穩(wěn)定。方案三：產生可調時鐘方案，具體設計如下：(1)使用以dds模塊ad9850產生相應所需頻率可調正弦波，輔以整形電路產生相應時鐘即可。(2)使用fpga對其固有時鐘進行可編程分頻，產生所需時鐘。 綜上所述

39、，時鐘模塊選用方案三，兼顧成本與實際需求，故采用方案三(1)，即采用dds集成芯片ad9850輔以相應整形電路產生步進可調時鐘。ad9850模塊使用40m有源晶體振蕩器充當起振時鐘，在此條件下dds模塊理論可產生正弦波最大不失真頻率為20mhz(參照ad9850模塊部分)，故可滿足實際設計要求。3.2.2 程控濾波器模塊的論證與選擇本課題針對使用max262作為程控濾波器芯片，控制時注意供電方式即可：max262提供多種供電方式，即使用單電源或雙電源供電，不同供電方式對輸入信號濾波效果不同。(1)使用8051架構mcu控制時，選用±5v雙電源供電。(2)使用fpga的niosii32

40、位控制時，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，滿足實際設計要求即可，本方案采用8051架構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際鍵盤模塊需要為程控濾波器模塊提供兩位加/減步進頻率按鍵，以配合max262濾波中心頻率調整；對于鍵盤模塊設計，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i/o口資源，但后期維護及功能拓展較為方便。方案二：由2位獨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

41、穩(wěn)定，完全可以滿足設計要求。結合實際設計要求，從簡化系統(tǒng)電路連接的角度看較為實用。方案三：由stc12c5a60s2系列mcu內置adc模塊加以2位獨立鍵盤及電阻組成鍵盤模塊(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,但頻繁調用mcu的adc模塊，使用mcu處理負擔增加，并增加編程負擔(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位獨立鍵盤組成鍵盤模塊。3.2.4 mcu控制模塊的論證與選擇實際mcu控制模塊需要足夠i/o口，以協(xié)調其他模塊的間的通信；對于mcu控制模塊設計，可選方案如下：方案一：選用51架構m

42、cu組成mcu控制模塊。此種方案利用8位mcu，結合實際設計要求，從簡化系統(tǒng)電路及成本的角度看較為實用。方案二：選用dsp組成mcu控制模塊。此種方案性能穩(wěn)定，但性價比較低。方案三：選用fpga(nios2軟核)組成mcu控制模塊。使用fpga生成32位nios2處理器并將時鐘生成模塊生成與同一fpga芯片內，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，開發(fā)周期短，易于實現sopc片上系統(tǒng)，但設計較為復雜，故不采用。綜上所述，考慮開發(fā)時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 實際顯示模塊需要實現美觀的人機交互模式，使用i/o口數量；對于顯示模塊設計，可選方

43、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，且不能顯示漢字點陣字模，成本較為適中，但顯示區(qū)域較小只為16行2列，每個字符大小為5×8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，完全可以滿足設計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，從簡化系統(tǒng)電路連接的角度看較為實用。方案三： 選用多位數碼管組成顯示模塊。此種方案占用i/o口較多且電路復雜，但

44、成本最低。綜上所述，考慮開發(fā)時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。為整個系統(tǒng)提供5v，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓集成芯片實現，故不作詳述。第四章 系統(tǒng)硬件設計與實現實現濾波器系統(tǒng)對硬件設計與實現方法要求較為苛刻，設計時必須從多方面因素考慮，經過實際測試與驗證發(fā)現，濾波器系統(tǒng)極易受到電磁干擾。故硬件設計時必須十分注意各種信號的干擾，本章將分模塊具體介紹硬件設計方案。4.1 mcu控制器模塊設計與實現4.1.1 stc5a60s2系列芯片簡介stc12c5a60s2系列單片機是宏

45、晶科技生產的單時鐘/機器周期(1t)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內部集成max810專用復位電路，2路pwm，8路高速10位a/d轉換(250khz)，可直接應用于電機控制及強干擾場合，具體與如下特點：1. 增強型 8051 cpu，1t，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。2. 寬工作電壓：3.3v-5.5v。3. 工作頻率范圍：0 - 35mhz(相當于普通8051的0420mhz)。4. 工作溫度范圍：0 - 75(商業(yè)級)。5. 多種封裝：pdip-40，lqfp-44，lqfp-48。6.

46、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i/o口，復位后為：準雙向口/弱上拉。i/o口可程控設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個i/o 口驅動能力均可達到20ma，但整個芯片最大不要超過55ma。8. isp(在系統(tǒng)可編程)/iap(在應用可編程)，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，數秒即可完成一片。9. 芯片內置硬件看門狗并且內部集成max810專用復位電路(外部晶體12m以下時，復位腳可直接1k電阻到地)。10. 三種時鐘源：外部高精度晶體、時鐘及內部r/

47、c振蕩器。用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部r/c振蕩器還是外部晶體/時鐘。常溫下內部r/c振蕩器頻率為： 11mhz 15.5mhz。當精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準。11. 共4個16位定時器兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數器，16位定時器t0和t1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路pca模塊可再實現2個16位定時器。2個時鐘輸出口，可由t0的溢出在p3.4/t 輸出時鐘，可由t1的溢出在p3.5/t1輸出時鐘。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，

48、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(也可通過寄存器設置到p4.2), ccp1/p1.4 (也可通過寄存器設置到p4.3)。12. pwm/pca (2 路)可用來當2 路d/a、2個定時器或2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)使用。13. a/d轉換，10位精度adc，共8路，轉換速度可達250khz。14. 通用全雙工異步串行口(uart)，由于stc12系列是高速的8051，可再用定時器或pca 軟件實現多串口。4.1.2 stc5a60s2系列

49、單片機引腳說明本課題采用40pin封裝的雙列直接dip結構芯片，40個引腳中，正電源線和地線共兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個i/o口，其他功能i/o口見下圖4-1所示：圖4-1 stc5a60s2系列單片機引腳圖 4.1.3 mcu控制器模塊原理圖本課題設計的mcu控制器模塊實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界面模塊設計與實現4.2.1 顯示模塊設計與實現4.2.1.1 液晶顯示器lcd12864簡介帶中文字庫的lcd128x64是一種具有4位/8位并行、spi(串行)多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示

50、模塊；其顯示分辨率為128×64, 內置8192個16×16點漢字，和128個16×8點ascii字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊，故較為實用。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l(wèi)cd12864接口雙列，引腳功能見

51、下表4-1所示：表4-1 lcd12864管腳功能描述管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1vss0v電源地2vcc+5v電源正3v0-對比度(亮度)調整4rs(cs)h/lrs=“h”,表示db7db0為顯示數據rs=“l(fā)”,表示db7db0為顯示指令數據5r/w(sid)h/lr/w=“h”,e=“h”,數據被讀到db7db0r/w=“l(fā)”,e=“hl”, db7db0的數據被寫到ir或dr6e(sclk)h/l使能信號7db0h/l三態(tài)數據線8db1h/l三態(tài)數據線9db2h/l三態(tài)數據線10db3h/l三態(tài)數據線11db4h/l三態(tài)數據線12db5h/l三態(tài)數據線13db6h/l三態(tài)數據線1

52、4db7h/l三態(tài)數據線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復位端，低電平有效(見注釋2)18vout-lcd驅動電壓輸出端19avdd背光源正端(+5v)(見注釋3)20kvss背光源負端(見注釋3)4.2.1.3 顯示模塊原理圖本課題設計的顯示模塊實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接法實現顯示模塊的最小占用mcu的i/o口設計方法，具有一定推廣意義。4.2.2 鍵盤控制模塊設計與實現4.2.2.1鍵盤控制模塊原理圖本課題設計的鍵盤控制模塊使用低有效的設計方

53、案，具體實現如下圖4-4所示：圖4-4 鍵盤模塊原理圖4.3 時鐘產生模塊設計與實現4.3.1 dds芯片ad9850簡介ad9850是ad公司采用先進的cmos技術生產的直接頻率合成器(dds)，其最高接入時鐘頻率為125 mhz，由可編程dds系統(tǒng)、高性能模數變換器(dac)和高速比較器三部分構成，能實現全數字編程控制的頻率合成，并具有時鐘產生功能。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加法器和一個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。正弦查找表實際上是一個相位/幅度轉換表，它包含一個正弦波周期的數字幅度

54、信息，每一個地址對應正弦波中0360°范圍的一個相位點。查找表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅動10bit的da變換器，輸出2個互補的電流，其幅度可通過外接電阻進行調節(jié)。ad9850還包括一個高速比較器，將da變換器的輸出經外部低通濾波器后接到此比較器上即可產生一個抖動很小的方波，這使得ad9850可以方便地用作時鐘發(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。4.3.2 dds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 時鐘產生模塊原理圖4.3.3 時鐘產生模塊原理圖本課題設計的

55、時鐘產生模塊實際電路原理圖如下圖4-6所示：圖4-6 時鐘產生模塊原理圖4.4 程控濾波器模塊設計與實現4.4.1 程控濾波器芯片max262簡介max262是一種使用cmos制作工藝，兼有雙二階通用開關電容型有源濾波器特性，可由微處理器精確、獨立控制濾波函數產生相應帶通、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。每片產品含有兩個獨立的二階濾波器，其均可在微處理器的系統(tǒng)程序內設置其中心頻率、品質因數和濾波器所處工作方式的相應控制狀態(tài)字，已達到相應控制目的，進而實現不同選型的濾波器相應濾波功能。輸入時鐘頻率與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)，其控制獨立不影響其它濾波參數；同理，每個濾波器的品質因數(值)也可由獨立的7位品質因數控制狀態(tài)字來控制。每個濾波器的獨立時