程控滤波器的设计.doc
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成都理工大学工程技术学院毕业论文
程控滤波器的设计
程控滤波器的设计
摘要
本系统实现程控滤波,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。
硬件以单片机AT89S51为核心控制,主要由OP07放大器、程控滤波器MAX262等部分组成。
放大器采用OP07,实现60dB固定增益放大,步进10dB由单片机控制7279A实现,其误差不大于5%。
低通、高通滤波器由单片机控制可编程滤波器芯片MAX262实现,在2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。
本系统设计简单,能很好地实现滤波器的程控,使用方便,具有较高的性价比、实用性和使用价值。
关键词:
AT89S51;OP07;MAX262
-IV-
Abstract
Thissystemrealizesprogram-controlledfiltering,amplifiercaninstall;Lowpassorhigh-passfilterbandpass,cutofffrequencycharacteristicscanbesetup.HardwareAT89S51MCUcontrol,mainlyforthecoreOP07amplifier,program-controlledfilterbyMAX262components.ByOP07,realize60dBamplifierfixed-plusamplifier,stepping10dB7279Arealizationbysingle-chipmicrocomputercontrol,theerrorisnotmorethan5%.Lowpass,high-passfilterbysingle-chipmicrocomputercontrolprogrammablefilterMAX262realize,in2fcchipinthetotalvoltageamplifierandfilter30dBgainnogreaterthan.Thissystemissimpleindesign,canwellrealizefilterSPC,useconvenient,withhighperformance-to-priceratio,practicabilityandusevalue.
Keywords:
AT89S51,OP07,MAX262
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
前言 1
1绪论 2
1.1滤波器的发展阶段 2
1.2课题研究的背景 2
1.3设计的内容与结构 3
2方案设计与选择 4
2.1设计要求 4
2.2方案选择 4
2.2.1放大器的选择 4
2.2.2滤波器的选择 5
2.2.3单片机的选择 5
2.2.4输入模块选择 6
2.3MAX262工作原理 6
2.3.1MAX262的结构 6
2.3.2MAX262的特性及编程参数 7
2.3.3MAX262的工作原理 9
2.4滤波器的原理与及其结构 10
2.4.1滤波器的概念 10
2.4.2滤波器的结构及分类 11
2.4.3滤波器的应用场合 13
3系统硬件电路设计 14
3.1MAX262程控滤波器的设计 14
3.2AT89S51单片机介绍 15
3.3放大器的设计 18
3.3.1OP07简介 19
3.4显示部分设计 20
3.5MAX262滤波器部分的设计 21
3.5.174LS373芯片简介 21
4系统软件设计 23
4.1主程序流程图 23
4.2编程参数的确定 23
4.3程序流程分析 24
5设计验证及测试方法 25
5.1程序可行性验证 25
5.2各单元测试方法 25
总结 27
致谢 28
参考文献 29
附件1程控滤波器原理图 30
附件2程序清单 32
前言
滤波器是数据采集、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,设计固定截止频率的滤波技术已经很成熟,但在许多工程领域,信号频率的动态范围很宽,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。
在低频时码信号源中,实现多种频点滤波功能的方法通常有两种方法:
第一种方法采用运算放大器、电阻、电容等分立原件组成有源滤波器来实现频率选择,该方法为了实现智能选择,必须采用模拟开关控制,同时电路使用的原件较多,故会导致参数调整相当困难;第二种是采用多级选频电路串联方式,但该方法由于器件参数离散型的影响,要求所有选频回路在中心频率上偏差很小,这将使改变多级中心频率的滤波器变得十分困难。
使用可编程滤波器芯片MAX262可以通过编程多种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理,且滤波的特性参数(如中心频率、品质因数等),可通过编程进行设置,电路的外围器件也很少,同时用单片机对MAX262进行过程控制,还可以同时对两路输入信号进行二阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理。
这使得滤波器的中心频率可以在15Hz—50kHz范围内实现64级程控调节,其Q值可在0.5—64范围内实现128级程控调节。
-29-
1绪论
1.1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。
1.2课题研究的背景
随着滤波系统在各类电子装置中的普遍使用,普通的滤波器在工作时产生的误差,会影响整个系统的精确度。
低精度的滤波器在使用时会造成很多不良后果,世界各国纷纷对滤波器提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。
只有满足产品标准,才能够进入市场。
随着经济全球化的发展,满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。
传统滤波器功能单一,调节精度不高,人机界面不友好,而且经常跳变,使用麻烦。
随着集成电路技术的发展,目前已有高阶专用的开关电容滤波器芯片,但其价格高,电路噪声也不尽如人意,此外还存在信号混叠问题。
程控滤波系统是目前滤波器的不足提出的,数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数,有效地解决电源模块中诸
如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题,极大地提高生产效率和产品的可维护性。
1.3设计的内容与结构
本文分为四个章节,各章节安排如下:
第1章:
绪论。
主要介绍了滤波器的发展状况,以及和课题研究的背景。
第2章:
方案选择论证。
主要介绍了本论文的方案设计与选择,(包括放大器的选择、滤波器的选择、单片机的选择及输入模块的选择)MAX262的工作原理及其结构特性及滤波器的原理结构。
第3章:
系统硬件电路设计。
主要介绍了总体设计框图(包括程控滤波器的设计、显示电路设计、OP07芯片的简述、74LS373芯片的概述的的等)。
并详细介绍了最终确定的各单元设计方案以及最终方案的设计原理。
第4章软件设计主要介绍了主程序流程框图、编程参数的确定、程序流程分析。
第5章设计验证,主要说明了程序可行性的验证及各单元测试方法。
2方案设计与选择
2.1设计要求
(1)放大器输入正弦信号电压振幅为10mV,电压增益为40dB,增益10dB步进可调,通频带为100Hz~40kHz,放大器输出电压无明显失真。
(2)滤波器可设置为低通滤波器,其-3dB截止频率fc在1kHz~20kHz范围内可调,调节的频率步进为1kHz,2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1kW。
(3)滤波器可设置为高通滤波器,其-3dB截止频率fc在1kHz~20kHz范围内可调,调节的频率步进为1kHz,0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1kW。
(4)电压增益与截止频率的误差均不大于10%。
(5)有设置参数显示功能。
2.2方案选择
2.2.1放大器的选择
方案一∶
uA741通用高增益运算放大器,早些年最常用的运放之一。
但uA741通用放大器,性能不是很好。
早期运放,在音频运放的选择上,有较好的优势。
其中uA741是内部有相位补偿电路的先驱产品。
uA741在早期的音响中使用,它的AC特性和噪声特性较好,但是uA741的输入级为双极晶体管,所以偏流大功耗大。
方案二∶
OP07是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器。
由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07
在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
因此本论文选择方案二。
2.2.2滤波器的选择
为使产生的信号平滑、精确,采用滤波电路对波形进行后级处理。
方案一:
采用最简单的无源RC低通滤波器。
其特点是无电压放大倍数,带负载能力差。
方案二:
采用一阶有源滤波器。
由于引入了集成运放,滤波器的通带电压放大倍数和带负载能力得到了提高,但电路稍复杂。
方案三:
在电子电路中,滤波器是不可或缺的部分,其中有源滤波器更为常
用。
一般有源滤波器由运算放大器和RC元件组成,对元器件的参数精度要求比较高,设计和调试也比较麻烦。
美国Maxim公司生产的可编程滤波器芯片MAX262可以通过编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理,且滤波的特性参数如中心频率、品质因数等,可通过编程进行设置,电路的外围器件也少。
采用单片机完成对可编程滤波器MAX262的控制,能很好地实现有源滤波器的设计工作。
这种程控滤波器具有使用灵活、调试容易及工作性能稳定等特点。
本论文选用方案三。
2.2.3单片机的选择
方案一:
采用ATMEL公司产品AT89S51单片机作为系统控制模块。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM
—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高
性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
方案二:
采用如新华龙公司C8051系列或ATMEL公司ATmega系列等高档八位单片机作为本系统控制核心。
这一类高档单片机最显著的特点就是功能全,如空间更大的FLASH和SRAM存储器、双串口、更多的硬件定时器资源等。
但是其价格往往比普通单片机贵。
根据系统设计要求和资源预算,并且考虑系统成本,为了使本系
统性价比达到更高,决定选用方案一,即AT89S51单片机作为本系统控制核心模块。
2.2.4输入模块选择
方案一:
采用独立式按键作为输入模块,其特点:
直接用I/O口构成单个
按键电路,接口电路配置灵活、软件结构简单。
方案二:
采用矩阵式键盘作为输入电路,其特点:
电路和软件稍复杂。
本论文选用方案一。
2.3MAX262工作原理
2.3.1MAX262的结构
MAX262芯片是采用CMOS工艺制造的双列直插式开关电容通用滤波器(现在也有贴片形式的封装)。
图2-1是它的内部结构。
MAX260/261/262由两个二阶滤波器(A和B两部分)、两个可编程ROM及逻辑接口组成,每个滤波器部分又都包含两个级联的积分器和一个加法器。
MAX262引脚排列如图2-2所示,它们的功能如下:
V+:
正电源输入端;
V-:
负电源输入端;
GND:
模拟地;
CLKA:
外接晶体振荡器和滤波器A部分的时钟输入端,在滤波器内部,时钟频率被2分频;
CLKB:
滤波器B部分的时钟输入端,同样在滤波器内部,时钟频
率被2分频;
CLKOUT:
晶体振荡器和R-C振荡的时钟输出端;
OSCOUT:
与晶体振荡器或R-C振荡器相连,用于自同步;
INA,INB:
滤波器的信号输入端;
BPA,BPB:
带通滤波器输出端;
LPA,LPB:
低通滤波器输出端;
HPA,HPB:
高通、带阻、全通滤波器输出端;
:
写入有效输入端.接V+时,输入数据不起作用;接V-时,数据可通过逻辑接口进入一个可编程的内存之中,以完成滤波器的工作模式、f0及Q的位置。
此外,还可以接收TTL电平信号,并上升沿锁存输入数据;
A0、A1、A2、A3:
地址输入端,可用来完成对滤波器工作模式、f0和Q的相应设置;
D0,D1:
数据输入端,可用来对f0和Q的相应位进行设置;
OPOUT:
MAX261/262的放大器输出端;
OPIN:
MAX261/262的放大器反向输入端。
图2.1MAX262的内部结构图2.2MAX262的引脚
2.3.2MAX262的特性及编程参数
MAX262主要由放大器、积分器、电容切换网络(SCN)和工作模式选择器组成。
积分器、电容切换网络(SCN)和工作模式选择器分别由编程数据M0M1,F0~F5和Q0~Q6控制。
MAX262内部有两个二级滤波器,滤波器A和B可以单独使用,也可级联成四阶滤波器使用。
芯片的使用非常灵活,但它们均受同一组编程数据的控制。
MAX262芯片的工作频率为1Hz~140kHz。
当时钟频率为4MHz,工作模式选择为模式3时,芯片可以对140kHz的输入信号进行滤波处理。
其它工作模式的最高工作频率为100kHz。
滤波器A和B可以采用内部时钟,也可以采用外部时钟。
外部时钟分别从芯片的引脚CLKA、CLKB引入,对外部时钟无占空比要求。
如果要对更低频率的信号进行滤波处理,可采用MAX260芯片,它的工作频率为0.01Hz~7.5kHz。
输入的低频信号可以直接送到MAX260芯片的输入端(即INA或INB引脚),输入信号的幅度范围为0V~+5V。
MAX262芯片有三个编程参数:
中心频率f0、Q值和工作模式。
中心频率由编程数据F0~F5控制,共64个不同的二进制数
据,每个数据对应一个时钟频率fclk与中心频率f0的比值fclk/f0,Q值由编程数据Q0~Q7控制,共128个不同的二进制数据,每个数据对应一个同的Q值,最小的Q值为0.5,最大的Q值为64(如果芯片工作在模式2则可达90.5)。
工作模式由编程数据M0M1来决定,分别对应工作模式1、2、3和4。
模式1可以实现低通、带通和带阻滤波;模式2基本与模式1相同,只是该模式可以获得最高的Q值;模式3是唯一可以实现高通滤波的模式;而只有模式4才能实现全通滤波,它和模式3也可以实现低通和带通滤波。
编程参数f0、Q值和工作模式确定以后,只要将相应的编程数据装入
MAX262芯片内部的寄存器,滤波器的类型和频率特性也就确定了。
特性概括如下:
①微处理器接口。
②64步中心频率控制。
③128步品质因数Q控制。
④独立的品质因数和中心频率编程。
⑤保证时钟频率对f0比值精度在1%。
⑥75KHZ的中心频率范围。
⑦单电源或者双电源正负5伏供电。
2.3.3MAX262的工作原理
MAX262的工作原理如下,其工作原理图如图2.3所示。
图2.3MAX262的工作原理图
MAX262内部有2个二阶滤波器A和B,它们可以单独使用,也可级联成四阶滤波器使用。
每个滤波器组件都有其各自的输入时钟fCLK、独立的中心频率f0和品质因数Q。
实际滤波器的中心频率fO由滤波器的输入时钟频率fCLK、6位中心频率控制字(F0~F5)和工作方式(M0,M1)三者共同确定。
每个组件的品质因数Q是由7位控制字(Q0~Q6)独立设置的。
外部时钟分别从引脚CLKA、CLKB引入,对外部时钟无占空比要求。
但需要注意的是,在MAX262滤波器的内部,其采样速率是输入(CLKA或CLKB)的一半。
两位数据值在四位地址位的控制下,在的下降沿经逻辑接口给滤波器A、B的中心频f0、品质因数Q及工作模式控制字分别赋予不同的值,从而实现各种功能的滤波。
MAX262的工作时序如图2.4所示。
图2.4控制数据输入时序
MAX262的地址对应的数据如下表。
数据
地址
键值
数据位
地址
键值
D0D1
A3A2A1A0
D0D1
A3A2A1A0
滤波器A
滤波器B
M0M1
0000
0
M0M1
1000
8
F0F1
0001
1
F0F1
1001
9
F2F3
0010
2
F2F3
1010
10
F4F5
0011
3
F4F5
1011
11
Q0Q1
0100
4
Q0Q1
1100
12
Q2Q3
0101
5
Q2Q3
1101
13
Q4Q5
0110
6
Q4Q5
1110
14
Q6
0111
7
Q6
1111
15
表2.1地址分配表
2.4滤波器的原理与及其结构
2.4.1滤波器的概念
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