1、程控濾波器的設計（d題）摘要 設計的程控濾波器主要由信號放大電路、開關電容濾波電路、單片機控制電路和液晶顯示電路等組成。用at89s51單片機對開關電容濾波器mf10進行控制，從而對輸入正弦波信號進行低通、高通濾波處理。利用dds技術為mf10提供外部時鐘，有效地控制濾波電路的截止頻率。測試表明該電路具有滿足競賽設計要求。關鍵詞 單片機，開關電容濾波器，直接數字頻率合成，液晶顯示 目錄1. 系統設計.32. 單元電路設計53. 軟件設計84. 系統測試95. 結束語11參考文獻.11附錄1 單片機控制電路圖.11附錄2 元器件明細表12附錄3 程序清單 131. 系統設計1.1設計要求 1.1

2、.1基本要求（1）放大器輸入正弦信號電壓振幅為10mv，電壓增益為40db，增益10db步進可調，通頻帶為100hz40khz，放大器輸出電壓無明顯失真。（2）濾波器可設置為低通濾波器，其-3db截止頻率fc在1khz20khz范圍內可調，調節的頻率步進為1khz，2fc處放大器與濾波器的總電壓增益不大于30db, rl=1kw。（3）濾波器可設置為高通濾波器，其-3db截止頻率fc在1khz20khz范圍內可調，調節的頻率步進為1khz，0.5fc處放大器與濾波器的總電壓增益不大于30db, rl=1kw。（4）電壓增益與截止頻率的誤差均不大于10%。（5）有設置參數顯示功能。1.1.2 發

3、揮部分（1）放大器電壓增益為60db，輸入信號電壓振幅為10mv；增益10db步進可調，電壓增益誤差不大于5%。（2）制作一個四階橢圓型低通濾波器，帶內起伏1db，-3db通帶為50khz，要求放大器與低通濾波器在200khz處的總電壓增益小于5db，-3db通帶誤差不大于5%。（3）制作一個簡易幅頻特性測試儀，其掃頻輸出信號的頻率變化范圍是100hz200khz，頻率步進10khz。（4）其他。1.2方案比較 1.2.1 放大電路方案方案一 基于運放構成的前置放大電路方案利用運放構成同相比例放大電路或差動放大電路，模擬多路開關選擇不同的電阻作為反饋電阻，即可得到不同電壓增益的放大電路。可以采

4、用高速運放op27，op27增益帶寬可達到8m,可滿足設計要求，但該方案性能指標不高，電路復雜，可靠性較差。方案二 基于儀用放大器ina128的方案 ina128是儀用運放，輸入阻抗大，可變增益，對小信號放大效果好。采用ina128作為放大器核心元件，使系統具有低噪音、低漂移和高信噪比等優點，而且體積小，使用方便。為得到6種不同電壓增益，利用單片機控制模擬多路開關選擇不同的電阻接入ina128，即可達到要求。由于儀用放大器ina128對小信號的放大作用上優良的性能，且電路簡單，可靠性高。故本設計采用方案二作為小信號的前置放大電路。 1.2.2 濾波電路方案方案一 設計有源濾波電路根據設計要求低

5、通/高通電路增益在阻帶內衰減較快，故一階低通濾波電路不滿足要求，應設計二階低通電路。使過渡帶窄且陡峭，從而達到設計要求。因截止頻率范圍設計要求在1k20k，且步進值為1k，需要20組電阻提供選擇，故同樣要用單片機控制多路模擬開關來選擇某組電阻來得到相應的截止頻率。該方案由于切換電阻多，使用較多的模擬開關，電路十分復雜，成本高且可靠性差。方案二 選用開關電容濾波器美國natlsemi公司mf10開關電容濾波器，它是利用外接時鐘頻率來控制開關電容等效電阻, 達到實現調節濾波器中心頻率的目的，從而任意地控制低通/高通濾波截止頻率。本設計外部時鐘由直接數字頻率合成技術（direct digital s

6、ynthesis, dds）產生開關電容濾波器的時鐘脈沖，利用dds芯片ad7008產生不同頻率的正弦波輸入mf10，即可控制產生不同截止頻率的低通電路。方案一遠遠沒有方案二簡單，且方案二成本低和可靠性高。故采用方案二。1.2.3 四階橢圓低通濾波設計方案橢圓濾波器與巴特沃斯濾波器相比，橢圓濾波器雖然相頻特性較差，但其給出的設計階數比前兩種低，而且頻率特性較好，過渡帶較窄。 四階橢圓低通濾波電路設計簡單，直接設計無源濾波器，由電阻器，電容，電感搭建。電路圖見圖1-1。圖1-1四階橢圓低通濾波電路圖1.3 系統總體設計 系統框圖如圖1-2所示。低通濾波輸出高通濾波輸出時鐘放大電路cd405180

7、51單片機mf10dds示波器顯示lcd顯示鍵盤圖1-2 系統總體框圖 單片機根據鍵盤輸入的參數，控制多路模擬開關cd4051對小信號進行相應的放大， dds產生時鐘脈沖控制開關電容濾波器mf10的濾波頻率，并將相關參數在lcd上進行顯示。輸出信號可以在示波器上顯示，觀察放大、濾波效果。此方案由于選用了開關電容濾波器和直接數字頻率合成技術，,設計的程控濾波性能優越，電路簡單，可靠性高。而且結合了dds技術，可以得到很高的低通和高通截止頻率，遠遠滿足設計要求。 2. 單元電路設計 2.1 dds產生時鐘脈沖 本設計中由于開關電容濾波器要求時鐘脈沖來控制濾波頻率，且時鐘脈沖頻率較高（1mhz）調節

8、檔位較多（20檔）,單片機或8253定時器較難實現。可由dds技術產生。dds目前以其頻率分辨率高、轉換速度快、體積小、性價比高等優點而廣泛的應用于各類電子設備中。dds技術是一種把一系列數字形式的信號通過dac轉換成模擬形式的信號的合成技術。利用dds可方便地產生任意頻率的正弦波。本設計中應用dds技術的主要目的在于為mf10開關電容濾波器提供各種時鐘，后面濾波電路設計部分會詳細加以介紹。2.2 放大電路的設計程控放大電路主要采用美國ad公司的單片測量放大器ina128，通過單片機控制多路模擬轉換器cd4051 的地址 a,b,c 以選擇不同的通道（以選擇不同的r阻值 ）, 達到程控放大的目

9、的。選擇不同的阻值會有不同的電壓增益，如表2-1所示.表2-1 放大多路電阻參數表電阻23.15k5.56k1.63k0.505k0.159k0.05k增益10db20 db30 db40 db50 db60 db放大倍數3.161031.61003161000程控放大原理圖見圖2-1圖2-1程控放大原理圖2.3濾波電路的設計濾波電路選用美國natlsemi公司mf10開關電容濾波器, 它是利用外接時鐘頻率來控制開關電容等效電阻, 達到實現調節濾波器中心頻率的目的, 其中心頻率與外接鐘頻成線性關系。1個mf10芯片是由2個獨立的通用的cmos有源濾波器結構單片組成。每個結構單元與一個外接時鐘和

10、若干電阻一起就可實現任何標準濾波器特性。本電路是2片mf10 芯片設計成8 階巴特沃斯低通濾波器。mf10需要外接時鐘頻率來控制開關電容等效電阻，即控制濾波電路的截止頻率。無論設計低通還是高通電路，都要求截止頻率可調，且步進值為1k,由于利用8253定時器分頻不能得到精確的不同頻率的時鐘，故利用dds技術來實現。使用dds芯片ad7008，向其內部存儲器寫入不同的頻率控制字，從而可產生不同頻率的正弦波，作為mf10的外部時鐘。與連續有源濾波器相比，開關電容濾波器可以提供較穩定的中心頻率。為避免出現混疊現象，時鐘信號的頻率為濾波器的中心頻率的50倍或100倍，本設計中采用50倍。濾波電路硬件設計

11、電路原理如圖2-2。1腳為低通輸出，2腳為帶通輸出，3腳為高通輸出，從10腳和11腳輸入外部時鐘。 圖2-2 mf10的外接電路圖通過分析計算，我們令r1=10k,r2=r3=30k,r4=15k,c=47uf。對于低通濾波電路： （1） （2）， （3） fclk25 fc （4）對于不同的截止頻率，應輸入相應頻率的外部時鐘，如表2-2所示。表2-2 低通濾波頻率與時鐘頻率對照表fc1k2k3k4k5k6k7k8k9k10kfclk25k50k75k100k125k150k175k200k225k250kfc11k12k13k14k15k16k17k18k19k20kfclk275k300k

12、325k350k375k400k425k450k475k500k 參考表2-2，通過dds產生頻率fclk的各種正弦波形，作為開關電容濾波器的外部時鐘，通過控制即可從mf10輸出截止頻率各不相同的低通濾波后信號。 對于高通濾波電路： （5）=，fclk50fc。 （6）故對于不同的截止頻率，輸入的相應外部時鐘頻率如表2-3所示。表2-3 高通濾波頻率與時鐘頻率對照表fc1k2k3k4k5k6k7k8k9k10kfclk50k100k150k200k250k300k350k400k450k500kfc11k12k13k14k15k16k17k18k19k20kfclk550k600k650k70

13、0k750k800k850k900k950k1m同樣通過dds產生頻率fclk的各種正弦波形，作為開關電容濾波器的外部時鐘，通過控制即可從mf10輸出截止頻率各不相同的高通濾波后信號。2.4 液晶顯示電路設計本次設計選用的是液晶顯示器12864a2,它是由點陣lcd和行驅動、led背光、負電壓電路及分壓電路組成的一種能完整顯示128列64行的用戶終端，可以顯示84個1616點陣漢字。圖2-5為本次設計中液晶顯示器與片單機的連接圖。圖2-5液晶顯示器與片單機的連接圖采用8051單片機，8051是rom型單片機，內含4kb掩摸rom存儲器，使用時無需外接程序存儲器。8051的p2口輸數據給液晶顯示

14、。2.5 鍵盤電路設計 共設計了六個鍵，按鍵一和二控制放大電路的增益，分別為步進加和步進減10 db。按鍵三和四控制低通濾波的截止頻率，分別為步進加和步進減10khz。按鍵三和四控制高通濾波的截止頻率，分別為步進加和步進減10khz。鍵盤與單片機的硬件連接見圖2-5。圖2-5鍵盤與單片機的硬件連接圖3 軟件設計 圖3-1為完整的軟件設計流程圖。4. 系統測試4.1 測試儀器 美國tektronixtps2024示波器，信號發生器，萬用表。4.2 放大器部分測試 輸入信號：10mv 1khz表4-1信號輸出與理論增益的對照理論增益0 db10 db20 db30 db40 db50 db60 d

15、b輸出信號（mv）10.829.611031061019315498754.3 放大低通部分測試輸入信號:10mv 100hz40khz。輸入信號經放大、低通濾波后得到的輸出電壓值在表4-2可見，2fc時放大低通濾波總電路的總增益同樣見表4-2。開始 初始化液晶顯示為“增益：0 db低通fc：10khz” 顯示掃描有鍵按下n取鍵并處理y增益步進加鍵增益步進減低通fc步進加鍵低通fc步進減鍵高通fc步進加鍵增益步進加子程序增益步進減子程序低通fc步進加子程序高通fc步進減鍵低通fc步進減子程序高通fc步進加子程序高通fc步進減子程序圖3-1軟件設計流程圖表4-2 信號處理后電壓值及2fc處總增益

16、截止頻率fc(khz)2fc (khz)放大器增益(db)實測輸出電壓(v)2fc時總增益(db)12401.043024400.9963036401.023048401.0030510400.99930612400.99630714401.0330816401.0230918400.998301020400.997301122401.01301224401.05301326401.00301428400.995301530400.999301632401.08301734401.06301836401.01301938401.00302040401.03304.4 放大高通部分測試輸入信號:

17、10mv 100hz40khz。輸入信號經放大、高通濾波后得到的輸出電壓值在表4-3可見，0.5fc時放大低通濾波總電路的總增益同樣在表4-3中可見表4-3 信號處理后電壓值及2fc處總增益截止頻率fc(khz)0.5fc(khz)放大器增益(db)實測輸出電壓(v)0.5fc時總增益(db)12401.023024401.023036401.043048400.98630510400.99330612400.99930714400.98730816401.0430918401.03301020400.93301122400.997301224401.05301326400.984301428

18、400.996301530400.996301632401.05301734401.03301836400.987301938401.05302040401.04305結束語 本文設計的程控濾波器經過焊接、調試，完全實現了設計要求。能夠較準確的完成輸入信號的放大、濾波，得到所需的波形。 主要特色： 使用了儀用運放ina128, 使系統具有低噪音、低漂移和高信噪比等優點, 對小信號放大效果好。 使用了開關電容濾波器mf10，通過輸入不同的時鐘頻率來控制濾波頻率和q值，可方便的產生多種濾波效果。使用了dds技術，能產生各種頻率的正弦波為mf10提供各種頻率的脈沖信號。參考文獻1. 黃智偉全國大學生

19、電子設計競賽訓練教程電子工業出版社2006年2 劉瑞新.單片機原理及應用教程.北京：機械工業出版社，2003.73 求是科技編注.單片機典型外圍器件及應用實例.北京：人民郵電出版社，2006.24 徐科軍，李國麗.電氣測試基礎.北京：機械工業出版社.2003.45 田良.綜合電子設計與實驗.南京：東南大學出版社.2002.36 周荷琴，吳秀琴.微型計算機原理與接口技術.合肥：中國科學技術大學出版社.2004.127 全國大學生電子設計競賽組委會. 全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編：第一第五屆 北京：北京理工大學出版社，2004.88 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎.北京：高等教育出版社，2

20、001.39 康華光.電子技術基礎：模擬部分.北京：高等教育出版社，1999.6.附錄1 電路板圖 單片機控制原理圖如圖6圖6 單片機控制原理圖附錄2 元器件清單： （1）單片機 at89s51-24pc-0609 一片； （2）8255 d8255ac-2 一片；（3）dds芯片 ad7008jp50-9846 一片；（4）高速運放 ina128 、op27 各一片；（5）模擬多路開關 hcf4051be 一片；（6）開關電容濾波器 mf10ccn 一片；（7）電阻器 500，1k,5k等電阻器若干；（8）電位器 101，102，104等電位器若干；（9）電容器 50nf,100nf,100

21、pf，40uf等電容若干；（10）電感器 209uh,1uh等電感器若干。（11）美國tektronixtps2024，示波器信號發生器，萬用表 各一個 附錄3程序清單：;20h,21h,22h,41h,42h,43h,44h;已用;液晶控制字數據口定義 rs bit p1.5 rw bit p1.6 e bit p1.7 lcd_out equ p2 com equ 4eh ;指令寄存器 dat equ 4fh ddsl0 equ 41h ddsl1 equ 42h ddsh0 equ 43h ddsh1 equ 44h switch equ 45h;dds res equ p1.0 loa

22、d equ p1.1 wre equ p1.3;org 0000h ajmp mainorg 0030hmain: mov 20h,#00h mov 21h,#01h mov 22h,#01h mov 45h,#86h mov 44h,#00h mov 43h,#20h mov 42h,#0c4h mov 41h,#9ah mov com,#30h ;功能設定 八位 基本指令 lcall w_com lcall clr_lcd mov com,#0ch ;顯示狀態開 lcall w_com mov com,#88h lcall w_com mov dptr,#line4 lcall disp_

23、lcdh lcall delay3 lcall delay3 lcall delay3 lcall clr_lcd mov com,#80h lcall w_com mov dptr,#line1 lcall disp_lcdh lcall disp_lcdz mov com,#90h lcall w_com mov dptr,#line2 lcall disp_lcdh lcall disp_lcdp lcall delay1 lcall delay1 lcall delay1 lcall delay1 mov dptr,#3fffh ;8255初始化 mov a,#81h movx dpt

24、r,a mov dptr,#3ffch mov a,#86h movx dptr,adds: mov r0,#0ffhdel1:djnz r0,del1 setb res clr res mov r0,#0ffhdel2:djnz r0,del2ftw: mov dptr,#3ffdh mov a,44h movx dptr,a clr wre setb wre mov a,43h movx dptr,a clr wre setb wre mov a,42h movx dptr,a clr wre setb wre mov a,41h movx dptr,a clr wre setb wre

25、setb load clr load mov r0,#0ffhdel3:mov r1,#0ffhdl: djnz r1,dl djnz r0,del3 lcall delay1;lk1: mov dptr,#3ffeh mov a,#00h movx dptr,a jb p3.2,lk1 lcall delay jb p3.2,lk1 ;測鍵程序lk4:mov r6,#0efh mov r7,#00h mov r5,#00hlk3:mov a, r6 movx dptr,a movx a,dptr anl a, #0fh xrl a,#0fh jnz lk2 mov a,r6 rl a mov

26、 r6,a xch a,r5 add a,#04h xch a,r5 ajmp lk3lk2:clr c rrc a jz j1 rrc a jz j2 rrc a jz j3 rrc a jz j4j1: mov r7,#01h ajmp keyj2: mov r7,#02h ajmp keyj3: mov r7,#03h ajmp keyj4: mov r7,#04h ajmp keykey: mov a,r7 add a,r5 dec a mov b,#02h mul ab mov dptr, #tab jmp a+dptr; tab: ajmp key0 ajmp key1 ajmp

27、key2 ajmp key3 ajmp key4 ajmp key5 ajmp key6 ajmp key7 ajmp key8 ajmp key9 ajmp key10 ajmp key11 ajmp key12 ajmp key13 ajmp key14 ajmp key15;key0: lcall delay1 mov com,#80h lcall w_com mov dptr,#line1 lcall disp_lcdh mov a,20h cjne a,#3ch,kzero mov 20h,#00h lcall disp_lcdz mov a,20h mov b,#0ah div a

28、b mov dptr,#tabw movc a,a+dptr mov 45h,a mov dptr,#3fffh ;8255初始化 mov a,#81h movx dptr,a mov dptr,#3ffch ;給dds控制字置電平 mov a,45h movx dptr,a jmp lk1kzero: add a,#0ah mov 20h,a lcall disp_lcdz mov a,20h mov b,#0ah div ab mov dptr,#tabw movc a,a+dptr mov 45h,a mov dptr,#3fffh ;8255初始化 mov a,#81h movx dp

29、tr,a mov dptr,#3ffch ;給dds控制字置電平 mov a,45h movx dptr,a jmp lk1key1: lcall delay1 mov com,#80h lcall w_com mov dptr,#line1 lcall disp_lcdh mov a,20h cjne a,#00h,kone mov 20h,#3ch lcall disp_lcdz mov a,20h mov b,#0ah div ab mov dptr,#tabw movc a,a+dptr mov 45h,a mov dptr,#3fffh ;8255初始化 mov a,#81h mov

30、x dptr,a mov dptr,#3ffch ;給dds控制字置電平 mov a,45h movx dptr,a jmp lk1kone: subb a,#0ah mov 20h,a lcall disp_lcdz mov a,20h mov b,#0ah div ab mov dptr,#tabw movc a,a+dptr mov 45h,a mov dptr,#3fffh ;8255初始化 mov a,#81h movx dptr,a mov dptr,#3ffch ;給dds控制字置電平 mov a,45h movx dptr,a jmp lk1key2: lcall delay2

31、 mov com,#90h lcall w_com mov dptr,#line2 lcall disp_lcdh mov a,21h cjne a,#14h,ktwo mov 21h,#01h lcall disp_lcdp mov dptr,#dtabh1 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsh1,a mov dptr,#dtabh0 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsh0,a mov dptr,#dtabl1 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsl1,a mov dptr,#dtabl0 mov a,21h

32、movc a,a+dptr mov ddsl0,a jmp ddsktwo: inc 21h lcall disp_lcdp mov dptr,#dtabh1 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsh1,a mov dptr,#dtabh0 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsh0,a mov dptr,#dtabl1 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsl1,a mov dptr,#dtabl0 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsl0,a jmp ddskey3: lcall delay2

33、 mov com,#90h lcall w_com mov dptr,#line2 lcall disp_lcdh mov a,21h cjne a,#01h,kthr mov 21h,#14h lcall disp_lcdp mov dptr,#dtabh1 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsh1,a mov dptr,#dtabh0 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsh0,a mov dptr,#dtabl1 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsl1,a mov dptr,#dtabl0 mov a,21h

34、movc a,a+dptr mov ddsl0,a jmp ddskthr: dec 21h lcall disp_lcdp mov dptr,#dtabh1 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsh1,a mov dptr,#dtabh0 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsh0,a mov dptr,#dtabl1 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsl1,a mov dptr,#dtabl0 mov a,21h movc a,a+dptr mov ddsl0,a jmp ddskey4: lcall delay2

35、 mov com,#90h lcall w_com mov dptr,#line3 lcall disp_lcdh mov a,22h cjne a,#14h,kfour mov 22h,#01h lcall disp_lcdph mov dptr,#tabh1 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsh1,a mov dptr,#tabh0 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsh0,a mov dptr,#tabl1 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsl1,a mov dptr,#tabl0 mov a,22h mo

36、vc a,a+dptr mov ddsl0,a jmp ddskfour: inc 22h lcall disp_lcdph mov dptr,#tabh1 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsh1,a mov dptr,#tabh0 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsh0,a mov dptr,#tabl1 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsl1,a mov dptr,#tabl0 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsl0,a jmp ddskey5: lcall delay2 mov

37、 com,#90h lcall w_com mov dptr,#line3 lcall disp_lcdh mov a,22h cjne a,#01h,kfive mov 22h,#14h lcall disp_lcdph mov dptr,#tabh1 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsh1,a mov dptr,#tabh0 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsh0,a mov dptr,#tabl1 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsl1,a mov dptr,#tabl0 mov a,22h movc a

38、,a+dptr mov ddsl0,a jmp ddskfive: dec 22h lcall disp_lcdph mov dptr,#tabh1 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsh1,a mov dptr,#tabh0 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsh0,a mov dptr,#tabl1 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsl1,a mov dptr,#tabl0 mov a,22h movc a,a+dptr mov ddsl0,a jmp ddskey6: jmp lk1key7: jmp lk1

39、key8: jmp lk1key9: jmp lk1key10: jmp lk1key11: jmp lk1key12: jmp lk1key13: jmp lk1key14: jmp lk1key15: jmp lk1;clr_lcd:mov com,#01h ;清屏 lcall w_com ret;disp_lcdz:push acc mov com,#84h ;設lcd首地址 lcall w_com mov a,20h lcall to_bcd mov a,54h anl a,#0f0h swap a add a,#30h mov 41h,a cjne a,#30h,fir mov a,#20hfir: mov dat,alcall w_data mov a,54h anl a,#0fh add a,#30h mov dat,a lcall w_data mov dat,#64h lcall w_data mov dat,#42h lcall w_data pop a retdisp_lcdp: push a mov com,#094h lcall w_com mov a,21h lcall to_bcd mov a,54h anl a,#0f0h swap a add a,#30h cjne a,#30h,sec mov a,#20hsec: mov d