程控滤波器的设计与实现

程控滤波器的设计与实现目 录1.方案论证1.1方案比较与选择增益放大模块31.2方案比较与选择滤波模块41.3方案比较与选择时钟发生模块 DDS42.系统硬件设计52.1系统的总体设计52.2单元电路的设计62.3发挥部分的设计与实现63.系统软件设计73.1程序总体设计73.2各功能模块程序设计74.系统的组装与调试84.1 整机结构图及工艺说明84.2面板图及可调部件说明84.3系统的测试84.4测试结果及其分析95.结论9摘要：我们设计的程控滤波器是以C8051F005高速SOC单片机和AT89S52为核心，以稳定、准确为原则。本设计总共由五个模块组成，分别是：直流稳压电源，增益放大电路，滤波电路，单片机最小系统以及时钟电路。美信公司MAX264芯片和MAX295芯片内部集成了设计滤波器所需的电阻电容，在应用中几乎不用外接器件，使用非常简单，其中心频率、Q值及工作模式都可以通过对引脚可编程控制。它可以工作于带通、低通、高通、带陷或是全通模式，时钟输入(外接时钟信号或晶振)可以精确地设置中心频率及Q值。同时采用了12位D/A转换器MAX532构成了12位可编程增益放大器，时钟发生电路的设计我们应用了高性能DDS芯片AD9851。关键词：滤波器 高速SOC单片机 可编程控制 可编程增益放大 DDS芯片 1.方案论证1.1各种方案比较与选择方案一：运放+模拟开关+电阻网络这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。此种方法所需元器件较多，电路庞大，而且精度受到限制。方案二：运放+数字电位器种方案采用固态数字电位器来控制放大电路的增益，线路较为简单。但现有的数字电位器分辨率有限，常见的有32、64抽头，少数可达1024抽头，因而构成的放大器精度有限，无法满足10位甚至12位数据采集系统的要求。方案三：采用D/A转换器来实现高精度可编程增益放大器。MAXIM公司的12位D/A转换器MAX532构成的12位可编程增益放大器，只需单片D/A转换器即可实现一个完整的高精度PGA（增益可软件编程的放大器），甚至可以不需要任何外围元件。并且它还具有十分方便的编程接口，可以直接挂到数据总线上。比较以上两种方案的优缺点，方案三简洁、灵活、调节方便、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案三来实现。方案三的工作原理：MAX532 D/A转换器利用R-2R梯形解码网络实现数字量到模拟量的变换。常规用法中，加到解码网络参考端的电压Vref和从该网络的参考输出的电流Iout 的关系为： = （D为数字输入量），因此R-2R网络的参考端到输出端可等效为一个阻值可编程的等效电阻Ro= R ,将Ro 作为反馈电阻，则得到放大器的闭环增益为A= 因此输入不同的数字量D，就可以在1-4096间设定放大器的电压增益。MAX532芯片管脚图 MAX532典型应用1.2方案比较与选择滤波模块方案一：采用传统的分立元件组成的无源滤波器无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，但其滤波特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至出现谐振现象.方案二：用晶体管或运放构成的有源滤波器有源滤波器不用电感元件、有一定增益、重量轻、体积小并且调试方便，可用在信息处理、数据传输和抑制干扰等方面。但这类滤波器的缺点是易受运算放大器的频带限制，频带范围窄且固定不变，带内不够平坦，结构复杂。因此这类滤波器主要用于低频，达不到本题目所要求的技术指标。方案三：采用引脚可编程MAX264芯片，该芯片内部集成了设计滤波器所需的电阻电容，在应用中几乎不用外接器件，使用非常简单，并且可以工作于带通、低通、高通、带陷或是全通模式。因此我们决定应用方案三来设计滤波模块。1.3方案比较与选择时钟发生模块 DDSDDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号合成技术。它的基本工作原理是在采样时钟信号的控制下，通过由频率码控制的相位累加器输出相位码，将存储于只读存储器中的波形量化采样数据值按一定的规律读出，经 DA转换和低通滤波后输出正弦信号。其主要组成为：相位累加器、相位相加器、波形存储器、数字相乘器和DA 转换器。如图1所示，它的输出频率可以由下面公式推：f=k* fclk /2其中：f为输出频率，k为频率控制字，fclk为时钟频率，N为相位累加器的位数。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查找表，然后通过高速DAC产生用数字形式存入的正弦波。频率控制字相位累加器波形存储器 数模转换器低通滤波器 图1 DDS原理框图方案一：自行设计的基于FPGA芯片的方案可编程逻辑器件以其速度高,规模在,可编程,以及有强大EDA软件支持等特性,十分适合实现DDS技术。就生成信号质量而言,利用FPGA也能输出较高质量的信号。但却由于其价格昂贵,并且有许多专用DDS芯片， 因此采用FPGAX芯片不一定是我们首选的。方案二：采用高性能DDS单片电路AD9851的方案AD9851 是AD 公司采用先进技术,推出的具有高集成度DDS 电路的器件，它内部包含高速、高性能D/ A 转换器及高速比较器，可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。外接精密时钟源时，AD9851 可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可以编程控制且稳定性很好的模拟正弦波。这个正弦波能够直接作为基准信号源及频率信号源或通过其内部高速比较器转换成方波输出并作为灵敏时钟产生器。AD9851接口控制简单，可以用8位并行口或串行口经相位等控制数据，32位频率控制字。因此具有较高的性价比。综合比较以上二种方案，我们决定采用方案二进行设计。高速比较器合成信号时钟始终控制数据控制数据低通滤波器D/A转换器相位寄存器波形存储器相位全加器 控制字寄存器6倍参考 时钟倍乘器 AD9851的引脚排列图 AD9851结构框图 2.系统硬件设计2.1系统的总体设计51单片机系统键盘 模块供电整流 滤波 稳压 12V/15V 供电变压器220V交流电信号输入MAX532D/A 放大模 拟开 关低通滤波器高通滤波器模 拟开 关信号输出液晶显示C8051F005单片机磁珠磁珠磁珠磁珠AD9851测试点 系统总体设计框图2.2单元电路的设计 （见附录） C8051F005单片机最小系统 51单片机最小系统 键盘模块 直流稳压电源 增益放大电路 滤波电路 时钟电路2.3发挥部分的设计与实现我们的作品在较好地完成了基本要求的前提下，还能够达到发挥部分第一题所要求的技术指标，即满足了放大器电压增益为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.系统软件设计3.1程序总体设计C8051FOO5 AT89S52开始开始 初始化D/A系统初始化等待键盘输入 LCD界面等待AT89S52单片机输入参数设置信息键入D/A增益 其他 写入D/A控制字子 按键信息LCD显示DDS时钟发生器模拟开关低通滤波器MAX295高通滤波器MAX2643.2各功能模块程序设计初始化模拟开关初始化程序系统初始化增益为0dB 等待键盘键盘等待键盘等待输入对应电阻网络高通滤波器MAX264模拟开关低通滤波器MAX295改变频率 增益放大模块 时钟电路模块 滤波模块4.系统的组装与调试4.1 整机结构图及工艺说明作为完整的电子仪器除了需要好的电路和软件设计外，还需要良好的装配工艺和美观的外壳,即有好的人机界面。这些问题我们也做了相应的考虑。4.2面板图及可调部件说明单片机控制装置电源 主板 主机箱内布置图4X4 键盘输入液晶显示输出 面板布局4.3系统的测试（1）分级调试：单片及最小系统的调试、直流稳压电源调试、增益放大电路的调试、滤波电路的调试（2) 级联调试将整个系统的分立模块联接在一起，进行级联调试。通过改变参数，观察结果，逐步改进系统的功能和稳定性，直到整个系统工作达到预期目标。增益（dB） 输入(mV) 输出（mV） 010 10.47121010 32.95872010103.45473010331.03944010 1030.25785010 3318.39266010 10200.5487经计算，以上输出值误差均在5%以内，达到了题目中的要求。4.4测试结果及其分析经过多次测试试验和对所测数据进行比较，本组所设计制作的程控滤波器能够较好的完成题目中所给任务和要求。系统功能由菜单实现，并且有液晶显示，人机界面友好。5.结论本系统是以C8051F005高速SOC单片机和AT89S52单片机为核心部件，利用了美信公司MAX264和MAX295及MAX532完成了作品中的放大器和滤波器的设计制作，并采用了高性能DDS芯片AD9851来制作时钟发生模块同时编写了一套软件算法实现了放大器增益可设置，低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置以及具有参数显示功能的程控滤波器。最终该作品完成竞赛题目中的要求的各项任务。系统设计过程中，在满足要求的情况下，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点。在本次竞赛中，我们三人齐心协力，经常在一起讨论遇到的问题，选择最终的解决方案，从而使我们能优秀的完成作品。通过这次竞赛，我们的实际动手操作能力提高了很多，同时分析问题和解决问题的能力也有所提高。本系统的顺利完成，主要得力于学校的大力支持，为我们提供了许多设备，使制作和调试过程更加方便和顺畅。同时也增加了我们的团队凝聚力，以及对新事物的自主学习的能力和实际动手操作能力，在这里本队感谢学校领导对我们的支持和鼓励，感谢您们为我们搭建了一个展示自身能力的平台。附录C8051F005单片机最小系统51单片机最小系统 键盘模块 直流稳压电源 时钟电路C8051F005单片机最小系统PCB