基于单片机程控滤波器设计毕业设计

基于单片机程控滤波器设计摘 要IABSTRACTII第1章 前 言11.1滤波器的概述11.2 滤波器的作用21.3滤波器的应用场合21.4滤波器的发展阶段31.5 本文所研究的内容3第2章 滤波器结构及芯片介绍52.1滤波器的结构52.1.1 根据滤波器的特性和应用场合其结构形式52.1.2 滤波器的结构演变52.2滤波器的设计82.3 AT89S52单片机的介绍82.3.1主要性能82.3.2功能特征描述92.3.3引脚功能92.3.4存储器结构122.3.5 定时器122.3.6 波特率发生器142.3.7 可编程时钟输出152.4 DAC0832的介绍152.4.1主要特性参数162.4.2 DAC0832的结构及其引脚功能162.4.3 DAC0832实现A/D转换及它的工作方式17第3章 系统方案与理论计算193.1 系统方案的论证与选择193.1.1放大电路的选择193.1.2 滤波电路的选择193.1.3 总体方案193.2 理论分析与计算203.2.1 放大电路203.2.2 低通、高通滤波电路参数21第4章 电路与程序设计234.1 程控放大器的设计234.1.1 单片机控制电路234.1.2 放大电路244.2 滤波器电路的设计244.2.1 数字电位器控制电路244.2.2. 低通滤波电路254.2.3 高通滤波电路264.2.4 四阶椭圆低通滤波电路274.3 LCD显示的设计284.4 软件的设计29第5章 测试分析以及结果总结305.1 放大电路的测试305.1.1 静态测试305.1.2 动态测试305.2 滤波电路的测试305.3 结果分析31第6章 结 论32致 谢33参考文献34毕业设计小结35附 录36摘 要滤波是数据采集、信号处理和通信系统等领域必不可少的重要环节， 如A/D转换前的“限带抗混叠滤波” 和D/A转换后的“平滑滤波”。在信号频率动态范围较宽的场合， 设定固定截止频率的滤波技术已很成熟， 但在许多工程应用领域，信号频率的动态范围往往很宽， 其信号频率在几赫兹到几千赫兹之间。因此， 就有必要采用多种截止频率的滤波器， 采用程控滤波法对频率动态范围较宽的信号进行滤波。以AT89S52单片机作为控制核心，设计一个高性能的程控滤波器。放大电路采用由单片机AT89S52、DAC0832和集成运放组成的程控放大电路，可实现对放大器增益的设置，同时实现增益的步进可调，增益变化范围为060 dB；显示部分采用OCM216字符点阵系列模块，以实现设置参数显示功能；低通选用二阶低通贝赛尔滤波电路，高通采用压控二阶高通滤波电路，选用x9312数字电位器来控制截止频率，在120 kHz可调。经实验调试，较好地实现了预定的功能，系统的可靠性和性价比较高。关键词：单片机, 程控放大电路, 贝赛尔滤波器, 数字电位器ABSTRACTIs based on data collection and signal processing and communications systems for the important link in the field, such as a d change the immunity folded up with the filter and d a smooth transition of the signal frequency filtering. in a wide, setting a fixed by the frequency filtering technology was very crude, but in many areas of project application, the signal frequency is often wide range, the signal frequency in several cycles to several thousand between cycles. Therefore, it is necessary to adopt various by the frequency of the filter, the use of controlled based on a wide frequency filtering. SignalThe system AT89S52 as the control core，design a highperformance programmable filter Amplifier circuit compose of AT89S52，DAC0832 and integrated opamp amplifier circuit program contr01It realize on the amplifier gainsettings，and achieve the gainstep adjustment from 0 dB to 60 dBLCD module using the OCM216 of dotmatrix characters display the setting parameters Lowpass filter use lowpass Bessel filter circuit Highpass filter use voltage controlled voltage source second-order highpass filter circuit Using X9312 digital potentiometer control cutoff frequency from 1 kHz to 20 kHz The experiment to debug the system to better achieve predetermined functions The higher system reliability and costeffectiveKEY WORDS：SCM，program controlled filter, bessel filter , digital potentiometer38第1章 前 言1.1滤波器的概述滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号，利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及型两种。就L型单节滤波器而言，其电感抗与电容抗，对任一频率为一常数，其关系为 = (1-1)故L型滤波器又称为K常数滤波器。倘若一滤波器的构成部分，较K常数型具有较尖锐的截止频率（即对频率范围选择性强），而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者，称为m常数滤波器。所谓截止频率，亦即与滤波器有尖锐谐振的频率。通带与带阻滤波器都是m常数滤波器，m为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的函数。每一m常数滤波器的阻抗与K常数滤波器之间的关系，均由m常数决定，此常数介于01之间。当m接近零值时，截止频率的尖锐度增高，但对于截止频的倍频之衰减率将随着而减小。最合于实用的m值为0.6。至于那一频率需被截止，可调节共振臂以决定之。m常数滤波器对截止频率的衰减度，决定于共振臂的有效Q值之大小。若达K常数及m常数滤波器组成级联电路，可获得尖锐的滤波作用及良好的频率衰减。1.2 滤波器的作用滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。随着数字式电子计算机(一般简称计算机)技术的产生和飞速发展，为了便于计算机对信号进行处理，产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以至于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。 滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。1.3滤波器的应用场合滤波器在电子领域中占有很重要的地位，在其他领域中也相当重要，因此它的应用范围很广，在信号处理，抗干扰处理，电力系统，抗混叠处理等等领域中应用很广。滤波器不仅在弱电系统中有很广的应用，在强电系统中也有相当广的应用，在强电整流中需要将尖峰脉冲滤除，在可控硅脉冲环节，要防止误脉冲，因此我们也要加防干扰的滤波电路。1.4滤波器的发展阶段电容滤波器是由电路元件相互连接构成的一种选频网络。从1915年Wagner和Campbell分别首次提出滤波器的概念以来，滤波器经历了无源分立RLC元件、集成线性元件/混合集成电路和单片全集成电路的发展历程，取得了长足的进步。随着滤波器理论的发展，特别是1977年美国加州大学Berkeley分校的学者组成的研究小组集成了第一片单片MOS开关电容滤波器，开关电容滤波器成为了滤波器理论中十分活跃的分支，受到了电路理论工作者和集成电路设计者的广泛关注。 开关电容滤波器(SCF)电路其核心部分由模拟开关、电容器和运算放大器组成，其传输函数系统特性取决于电容容量比的准确性，易于用MOS工艺实现。因此，70年代末，MOS工艺发展迅速，MOS器件在速度、集成度、相对精度控制和微功率等方面都有独特的优势，为开关电容滤波器电路的迅速发展提供了很好的条件。 国际上，70年代末至80年代中是SCF大发展时期，完成了从原理、结构探讨至工业化过程，并被广泛应用于通讯等领域。国内在70年代末至80年代初，高校与研究所亦对SCF开发投入了大量人力物力，取得不少成果。进入90年代后期，高水准工艺线在国内陆续建成，急需系统的开关滤波器设计、分析技术，以便设计具有我国自主知识产权的电子产品。目前，开关电容滤波器正向着集成度更高，功耗更低以及精度更好的方向发展，出现了很多的新方法来设计低电压、低功耗、低电容比和运放增益灵敏度的SC滤波器。而随着开关电容滤波器设计技术的日加成熟，开关电容滤波器的应用也更加广泛.从无限通讯到视频应用，再到集成电路设计，开关电容滤波器都越来越多的发挥着重要的作用。1.5 本文所研究的内容本文主要研究的内容：第一章 前言部分介绍了滤波器的概述，给出了滤波器的作用、主要应用场合以及发展阶段。第二章 介绍了滤波器的结构，设计，对本程控滤波器设计的主要芯片AT89S52的主要性能、功能特征、引脚、存储器结构、定时器、滤波器发生器、可编程时钟输出以及芯片DAC0832的主要特性参数、结构引脚和它的工作方式等进行了详细的介绍。第三章 对设计的系统方案进行了比较与选择，其中包括放大电路与滤波电路的选择。放大的电路通过比较选择了用OP07和A74l作为放大器件实现三级放大，程控增益电路通过单片机控制DAC0832实现模拟量输出。滤波电路采用数字电位器和二阶贝赛尔有源滤波电路。介绍了总体方案是以单片机为数据处理的核心，将设计任务分为放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、LCD显示、操作面板等模块。并对方案进行了理论分析与计算。第四章 具体的介绍了系统电路与程序的设计，包括放大电路、滤波电路以及LCD显示与软件的设计。第五章 对测试方案与测试结果进行了分析，总结性的阐述了论文的优缺点。第六章 结论。第2章 滤波器结构及芯片介绍2.1滤波器的结构从滤波的概念出现后，滤波器就开始登上电子的平台，滤波器的结构也经历了多次演变。2.1.1 根据滤波器的特性和应用场合其结构形式(1) 从功能上分：低、带、高、带阻。 (2) 从实现方法上分：FIR、IIR (3) 从设计方法上来分：切比雪夫、巴特沃斯、贝塞尔滤波 (4) 从处理信号分：经典滤波器、现代滤波器(5) 信号形式分：数字滤波，模拟滤波(6) 从利用的元件分：有源滤波器，无源滤波器2.1.2 滤波器的结构演变(1) 无源滤波器包括无源电容滤波器，无源电感滤波器，无源电感电容混合滤波器以及利用其他电子元件构成的滤波电路（例如，用二极管，三极管等等构成的检波电路如图）图1.1 滤波器的基本结构(2) 有源滤波器的结构组成：由无源的电感，电容组成滤波网络加上有源的运放芯片，其结构如下：图1.2 有源滤波器结构这是一个典型的二阶有源低通滤波器，其工作原理在这里不详细介绍了。(3) 开关电容滤波器的结构组成：有由MOS电容、开关和运放组成。其基本结构如下：图1.3 开关电容结构图开关电容滤波器的基本原理是，电路的两节点间接有带高速开关的电容器，其效果相当于该两节点间连接一个电阻。图中、用一个不重叠的两相时钟脉冲来驱动，假定时钟频率 (=1/) 远高于信号频率，那么，在为高电平时，导通而截止此时与输入信号相连，即有： (1-2) 而在为高电平时，截止，导通。于是，转接到运放的输入端，此时，放电，将原来所充电荷Q传输到上。由此可见，在每一时钟周期内，从信号源中提取的电荷Q=供给了积分电容。因此，在节点1、2之间流过的平均电流为 (1-3)如果足够短，可以近似认为这个过程是连续的，因而由上式可以在两节点间定义一个等效电路，即 (1-4) (1-5)这样，就可以得到一个等效的积分时间常数 (1-6)显然，影响滤波器频率响应的时间常数取决于时钟周期和电容比值/，而与电容的绝对值无关。在MOS工艺中，电容比值的精度可以控制在0.1%以内。这样，只要选用合适的时钟频率（如=100kHz）和不太大的电容比值（如10），对于低频率应用来说，就可获得合适的时间常数（如104s）(4) 数字信号软件滤波：这是利用软件处理信号的手段，利用滤波算法（限副滤波，中位值滤波法，算术平均滤波法，递推平均滤波法，中位值平均滤波法，限幅平均滤波法，一阶滞后滤波法，加权递推平均滤波法，消抖滤波法，限幅消抖滤波法）来对信号进行处理。2.2滤波器的设计滤波器特性可以用其频率响应来描述，按其特性的不同，可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器等。用来说明滤波器性能的技术指标主要有：中心频率，即工作频带的中心，带宽BW，通带衰减（即通带内的最大衰减）阻带衰减。对于实际滤波器而言，考虑到实际的组成元件的品质因数的取值是一有限值（因为受限于材料与工艺的水平），所以所有工程上的实用滤波器都是有损滤波器，因此对于这些滤波器还应考虑通带内的最小插入衰减。现代滤波器设计，多是采用滤波器变换的方法加以实现。主要是通过对低通原型滤波器进行频率变换与阻抗变换，来得到新的目标滤波器。2.3 AT89S52单片机的介绍2.3.1主要性能(1) 与MCS-51单片机产品兼容(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器(3) 1000次擦写周期(4) 全静态操作：0Hz33Hz(5) 三级加密程序存储器(6) 32个可编程I/O口线(7) 三个16位定时器/计数器(8) 八个中断源(9) 全双工UART串行通道(10) 低功耗空闲和掉电模式(11) 掉电后中断可唤醒(12) 看门狗定时器(13) 双数据指针(14) 掉电标识符2.3.2功能特征描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.3.3引脚功能VCC：电源GND：接地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表2.1所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）表2.1 P1口功能P2口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号1。P3口：P3 口是一个有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表2.2所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2 (外部中断0)P3.3 (外部中断1)P3.4（定时器0外部输入）P3.5（定时器1外部输入）P3.6 (外部数据存储器写选通)P3.7 (外部数据存储器写选通)表2.2 P3口功能RST：复位输入。晶振工作时，RST 脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚()也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。：外部程序存储器选通信号()是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在flash编程期间，也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端1。2.3.4存储器结构MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。程序存储器：如果引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于AT89S52，如果 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。例如，下面的直接寻址指令访问OA0H（P2口）存储单元MOV OA0H , #data使用间接寻址方式访问高128 字节RAM。例如，下面的间接寻址方式中，R0 内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是OA0H）。MOV R0 , #data堆栈操作也是简介寻址方式。因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。2.3.5 定时器定时器2是一个16位定时/计数器，它既可以做定时器，又可以做事件计数器。其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位选择。定时器2有三种工作模式：捕捉方式、自动重载（向下或向上计数）和波特率发生器。如表2.3所示，工作模式由T2CON中的相关位选择。定时器2有2个8位寄存器：TH2和TL2。在定时工作方式中，每个机器周期，TL2 寄存器都会加1。由于一个机器周期由12个晶振周期构成，因此，计数频率就是晶振频率的1/12。RCLK +TCLKCP/TR2MODE00116位自动重载01116位捕捉1X1波特率发生器XX0（不用）表2.3 定时器2工作模式在计数工作方式下，寄存器在相关外部输入角T2发生1至0的下降沿时增加1。在这种方式下，每个机器周期的S5P2期间采样外部输入。一个机器周期采样到高电平，而下一个周期采样到低电平，计数器将加1。在检测到跳变的这个周期的S3P1 期间，新的计数值出现在寄存器中。因为识别10的跳变需要2个机器周期(24个晶振周期)，所以，最大的计数频率不高于晶振频率的1/24。为了确保给定的电平在改变前采样到一次，电平应该至少在一个完整的机器周期内保持不变。(1)捕捉方式在捕捉模式下，通过T2CON中的EXEN2来选择两种方式。如果EXEN2=0，定时器2时一个16位定时/计数器，溢出时，对T2CON 的TF2标志置位，TF2引起中断。如果EXEN2=1，定时器2做相同的操作。除上述功能外，外部输入T2EX引脚(P1.1)1至0的下跳变也会使得TH2和TL2中的值分别捕捉到RCAP2H和RCAP2L中。除此之外，T2EX 的跳变会引起T2CON 中的EXF2 置位。像TF2 一样，T2EX 也会引起中断。(2)自动重载当定时器2工作于16位自动重载模式，可对其编程实现向上计数或向下计数。这一功能可以通过特殊寄存器T2MOD中的DCEN(向下计数允许位)来实现。通过复位，DCEN被置为0，因此，定时器2 默认为向上计数。DCEN设置后，定时器2就可以取决于T2EX向上、向下计数。DCEN=0 时，定时器2 自动计数。通过T2CON中的EXEN2位可以选择两种方式。如果EXEN2=0，定时器2计数，计到0FFFFH后置位TF2溢出标志。计数溢出也使得定时器寄存器重新从RCAP2H和RCAP2L中加载16位值。定时器工作于捕捉模式，RCAP2H和RCAP2L的值可以由软件预设。如果EXEN2=1，计数溢出或在外部T2EX(P1.1)引脚上的1到0的下跳变都会触发16位重载。这个跳变也置位EXF2中断标志位。置位DCEN，允许定时器2向上或向下计数。在这种模式下，T2EX引脚控制着计数的方向。T2EX上的一个逻辑1使得定时器2向上计数。定时器计到0FFFFH溢出，并置位TF2。定时器的溢出也使得RCAP2H和RCAP2L中的16位值分别加载到定时器存储器TH2和TL2中。T2EX上的一个逻辑0使得定时器2向下计数。当TH2和TL2分别等于RCAP2H和RCAP2L中的值的时候，计数器下溢。计数器下溢，置位TF2，并将0FFFFH加载到定时器存储器中。定时器2上溢或下溢，外部中断标志位EXF2 被锁死。在这种工作模式下，EXF2不能触发中断2。2.3.6 波特率发生器通过设置T2CON中的TCLK或RCLK可选择定时器2作为波特率发生器。如果定时器2作为发送或接收波特率发生器，定时器1可用作它用，发送和接收的波特率可以不同。如图8所示，设置RCLK和(或)TCLK可以使定时器2工作于波特率产生模式。波特率产生工作模式与自动重载模式相似，因此，TH2的翻转使得定时器2寄存器重载被软件预置16位值的RCAP2H和RCAP2L中的值。模式1和模式3的波特率由定时器2溢出速率决定，具体如下公式： (2-1)定时器可设置成定时器，也可为计数器。在多数应用情况下，一般配置成定时方式(CP/=0)。定时器2 用于定时器操作与波特率发生器有所不同，它在每一机器周(1/12晶振周期)都会增加；然而，作为波特率发生器，它在每一机器状态(1/2晶振周期)都会增加。波特率计算公式如下： (2-2)其中，（RCAP2H,RCAP2L）是RCAP2H和RCAP2L组成的16位无符号整数。特别强调，TH2的翻转并不置位TF2，也不产生中断； EXEN2置位后，T2EX引脚上10的下跳变不会使(RCAP2H，RCAP2L)重载到(TH2，TL2)中。因此，定时器2作为波特率发生器，T2EX也还可以作为一个额外的外部中断。定时器2处于波特率产生模式，TR2=1，定时器2正常工作。TH2或TL2不应该读写。在这种模式下，定时器在每一状态都会增加，读或写就不会准确。寄存器RCAP2可以读，但不能写，因为写可能和重载交迭，造成写和重载错误。在读写定时器2 或RCAP2寄存器时，应该关闭定时器(TR2清0)。2.3.7 可编程时钟输出可以通过编程在P1.0引脚输出一个占空比为50%的时钟信号。这个引脚除了常规的I/O角外，还有两种可选择功能。它可以通过编程作为定时器/计数器2的外部时钟输入或占空比为50%的时钟输出。当工作频率为16MHZ时，时钟输出频率范围为61HZ到4HZ。为了把定时器2配置成时钟发生器，位C/(T2CON.1)必须清0，位T2OE(T2MOD.1)必须置1。位TR2(T2CON.2)启动、停止定时器。时钟输出频率取决于晶振频率和定时器2捕捉寄存器（RCAP2H，RCAP2L）的重载值2，如公式所示： (2-3) 在时钟输出模式下，定时器2不会产生中断，这和定时器2用作波特率发生器一样。定时器2也可以同时用作波特率发生器和时钟产生。不过，波特率和输出时钟频率相互并不独立，它们都依赖于RCAP2H和RCAP2L。2.4 DAC0832的介绍DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成3。2.4.1主要特性参数分辨率为8位； 电流稳定时间1us； 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； 只需在满量程下调整其线性度； 单一电源供电（+5V+15V）；低功耗，20mW。2.4.2 DAC0832的结构及其引脚功能(1)DAC0832的结构 DAC083中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号。因为有两级锁存器，DAC083可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出4。(2)DAC0832的引脚排列D0D7：数字信号输入端;ILE：输入寄存器允许，高电平有效;CS：片选信号，低电平有效;WR1：写信号1，低电平有效;XFER：传送控制信号，低电平有效;WR2：写信号2，低电平有效;IOUT1、IOUT2：DAC电流输出端;Rfb：是集成在片内的外接运放的反馈电阻;Vref：基准电压(-1010V);Vcc：是源电压(+5+15V);AGND：模拟地 NGND：数字地，可与AGND接在一起使用 DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。IN0IN7：8路模拟信号输入端。A1、A2、A0 ：地址输入端。ALE地址锁存允许输入信号，在此脚施加正脉冲，上升沿有效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，以便进行A/D转换。START：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到达时，内部逐次逼 近寄存器复位，在下降沿到达后，开始A/D转换过程。EOC：转换结束输出信号（转换接受标志），高电平有效。OE：输入允许信号，高电平有效。CLOCK(CP)：时钟信号输入端，外接时钟频率一般为640kHz。 Vcc：+5V单电源供电。 Vref(+),Vref(-)：基准电压的正极、负极。(一般Vref(+)接+5V电源，Vref(-)接地)。2.4.3 DAC0832实现A/D转换及它的工作方式(1)采用ADC0809实现A/D转换 D/A转换器DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟量与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。 一个8位D/A转换器有8个输入端(其中每个输入端是8位二进制数的一位)，有一个模拟输出端。输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存：第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。具体地说，就是使 和 都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、 处于低电平，这样，当 端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。 第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。就是使为低电平，ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。(2) DAC0832的工作方式根据上述对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。(a) 单缓冲方式：单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。 (b) 双缓冲方式：双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。 (c) 直通方式：直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即 CS*，XFER* ，WR1* ，WR2* 均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换5。第3章 系统方案与理论计算3.1 系统方案的论证与选择3.1.1放大电路的选择方案l：采用多级放大和步进电位器。控制部分采用改变电阻的方式实现增益的步进可调，电位器为电阻步进(100Q)可调。采用三级A741放大电路，此电路结构简单，但步进倍数的调整比较复杂，且难以实现比较精确的调整。方案2：采用多级放大电路和程控增益电路。用OP07和A74l作为放大器件实现三级放大，程控增益电路通过单片机控制DAC0832实现模拟量输出，具有增益量程多变，易于实现步进控制，输出频带宽等优点。由于本设计要求增益步进可调，且范围较宽，方案1实现较困难，方案2比较适合，故采用方案2作为放大电路。3.1.2 滤波电路的选择方案1：采用数字滤波。数字滤波灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效地滤波。但要进行高效率地滤波，对A/D要求有较高的采样速率和实时性，对单片机速度要求较高。方案2：采用数字电位器和二阶贝赛尔有源滤波电路。数字电位器将数字信号转化成电阻量，采用单片机控制可实现输出不同的阻值，从而改变滤波电路的截止 频率。低通滤波器选用贝赛尔滤波电路，滤波性能和时延性好，且没有上冲12。 设计要求滤波器截止频率步进可调，方案2采用贝赛尔滤波器加数字电位器，由单片机控制易于实现，故采用方案2。3.1.3 总体方案经过分析对比，本系统以单片机为数据处理的核心，将设计任务分为放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、LCD显示、操作面板等模块。系统设计的框图7如图3.1所示。图 3.1 系统框图3.2 理论分析与计算3.2.1 放大电路为实现电压增益为40 dB，发挥到60 dB，采用分别输出的方式实现。电压增益误差不大于5，通频带为100 Hz40 kHz，输入信号为正弦信号且幅值为10 mV，选用OP07和A741来实现放大，OP07具有高精度低温漂特性，可满足设计要求。(1) 电压放大增益的计算根据放大倍数关系式20lg/60dB，计算出值。/ 1000，因此输出电压10V。采用三级放大，每级放大10倍，采用反相比例运算电路，则每级输出电压为-(/)，可得/10，根据式 (3-1)计算出放大后的电压值，静态时为10 V。(2) 步进输入的计算实现增益10 dB步进可调，是通过数字量的变化来控制的，要实现步进首先应先将输入的模拟量转化成数字量，处理后转化成模拟量输出，此时输出信号的幅值可调，根据要求输出模拟量的变化幅度为1 mV。输出电压U。与输入数字量的关系为-(/256)D，其中D为单片机送给DAC0832的数字量，当输入给定数字量时，输出为模拟量，以实现步进可调。输入与输出的关系如表3.1所示。 输入数字量输出模拟量放大增益000010000.31610dB(两级别放大输出)00011001120dB(两级别放大输出)010110013.1630dB(两级别放大输出)111111111040dB(两级别放大输出)000110013.1650dB(两级别放大输出)111111111060dB(两级别放大输出) 表 3.1 增益步进关系由表1可知，根据增益步进要求，单片机每给出一个数字量，经D/A转换，输出对应模拟量，较好地实现增益步进可调。(3) 通频带的计算在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降并产生相移，题目要求通频带为100 Hz40 kHz12。 上限截止频率： (3-2) 下限截止频率： (3-3)放大电路采用三级相同频率特性的电路，根据给出的通频带可以算出每级的上、下截止频率，76.21 kHz，=104.97 Hz。通频带BW =-，根据增益带宽乘积GB=ABW，可得GB=0.762 MHz，因此应当选择0.762 MHz范围的放大器，A741GB= MHz，故选用A7417。3.2.2 低通、高通滤波电路参数根据电路的性质和仿真的结果，得到对应的低通和高通滤波器参数如表3.2、表3.3所示。截止频率/kHzX9312输出阻值/截止频率/kHzX9312 输出阻值/16461151912125212549431858135797424641462015296915670663373167009737771775148418118812094585198827104888209786表3.2 低通滤波参数截止频率/kHzX9312输出阻值/截止频率/kHzX9312 输出阻值/110000111858283221217573589813165644585141555538781514546327216135372767171252822621811519458519105010206020949表3.3 高通滤波参数表3.2、表3.3表明了低通和高通滤波器截止频率与数字电位器数值的一一对应关系。第4章 电路与程序设计4.1 程控放大器的设计为实现放大器电压增益40 dB，且10 dB步进可调，通频带为100 Hz40 kHz，因此可以把电路分成两部分：一部分为由单片机控制的可变输出，另一部分为多级放大。4.1.1 单片机控制电路电路主要由AT89S52单片机、8位DAC0832数模转换芯片和集成运放LM324组成。工作原理是：首先，DAC0832将此模拟信号转化成数字信号送入单片机，经过单片机的处理在将输出的数字量送给DAC0832，通过LM324输出。电路见图4.16 。图4.1 程控电路4.1.2 放大电路放大电路采用不同参数的集成运放的组合，每级使用的集成运放分别为OP07、“A741、OP07。其框图如图3所示。每级运放均采用10倍反相比例放大，满足最大增益60 dB的要求，可使通频带100 Hz40 kHz。图4.2 放大电路框图4.2 滤波器电路的设计4.2.1 数字电位器控制电路数字电位器的时序图10见图4.3图4.3 数字电位器时序图数字电位器芯片X9312与单片机采用串行通信。输出out1、out2接到滤波电路中，电路见图4.4。图4.4 数字电位器控制电路4.2.2. 低通滤波电路选用二阶贝赛尔低通滤波电路，见图4.5。图4.5 低通滤波电路电路由三级运放组成，第一级采用数字电位器用以调整截止频率。根据电路参数仿真结果如图4.6、4.7所示。可见较好的实现了低通截止频率120kHz的要求。图4.6 低通（=1kHz）图4.7 低通（=20KHz）4.2.3 高通滤波电路 高通滤波选用二阶压控滤波电路，见图4.8图4.8 高通滤波电路框图运放采用LF353/NS,数字电位器调整其截止频率9。电路仿真结果如图4.9、4.10所示，满足高通截止频率120kHz的要求。 图4.9 高通（=1kHz） 图4.10 高通（=20kHz）4.2.4 四阶椭圆低通滤波电路四阶椭圆低通滤波器相当于两级二阶低通滤波电路的组合，框图见图4.11。其传递函数为: （4-1）图4.11 四阶椭圆低通滤波电路框图根据电路其仿真结果见图4.12图4.12 地接椭圆低通滤波从各滤波的仿真来看，较好的实现了设计的要求。4.3 LCD显示的设计通过单片机控制显示，根据输入设定不同的模式，显示不同内容，能够显示增益、低通滤波电路的截止频率、高通滤波截止频率10。显示内容见表4.1。增益dB低通滤波电路的截止频率Low pass kHz高通滤波截止频率High pass kHz表4.1 LCD 显示LCD显示器与单片机的电路见图4.13。图4.13 LCD显示4.4 软件的设计AT89S52单片机是整个电路的控制核心，其主程序流程如图4.14所示。 图4.14 主程序流程图第5章 测试分析以及结果总结5.1 放大电路的测试5.1.1 静态测试测试负载为1k静态时输入直流电压为10mV,测量并记录数据。数据如表5.1所示。理论值二级输出为1V,三级输出为10V测试值二级输出为1.12V,三级输出为10.35V表5.1 静态测试数据5.1.2 动态测试输入幅值为10mV的正弦信号，用HM1004示波器观察输出信号。测试数据见表5.2理论数据二级输出为正向、幅值为1V的正弦信号，通过频带为44.98kHz;三级输出为反相、幅值为10V的正弦信号测量值二级输出为正向、幅值为1.08V的正弦信号，通频带为42.8kHz;三级输出为反向、幅值为10.23的正弦信号表5.2 动态测试数据将测试值与理论值进行比较可知，通频带相对误差4.8，幅值相对误差2.3，满足设计误差小于5的要求。5.2 滤波电路的测试测试负载为1k,测试结果如表5.3所示。X9312输出电阻值/理论值/kHz测量值/kHzX9312输出电阻值/理论值/kHz测量值/kHz64610.93100010.94458598.87387854.537009316.1216561312.2497362020.5610502019.73表5.3 滤波电路测试数据由测试结果可知，截止频率的变化范围基本能够满足要求的范围，调节步进程度基本实现步进为1kHz，通过仪器的观察，低通2处、高通0.5处放大器与滤波器的总电压增益在27dB左右。5.3 结果分析本设计利用AT89S52单片机作为控制核心，采用数字电位器实现增益调整，使增益步进达到了较好的效果。显示部分采用液晶显示器，比较直观、清晰。系统经组装调试，滤波器的性能达到了设计的要求，但滤波器的带外衰减特性还需要提高。第6章 结 论本系统设计是基于AT89S52的程控滤波器设计方案，通过可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试等模块，实现了各项设计指标。放大电路采用由单片机AT89S52、DAC0832和集成运放组成的程控放大电路，可实现对放大器增益的设置，同时实现增益的步进可调，增益变化范围为060 dB；显示部分采用OCM216字符点阵系列模块，