課程設(shè)計(jì)程控濾波器

1、 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求： 1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)出一個程控濾波器,該程控濾波器以51單片機(jī)和fpga為核心，完成程控放大電路和程控濾波電路，同時設(shè)計(jì)完成了簡易幅頻特性測試儀。 2 設(shè)計(jì)要求 1）放大電路的增益最大能放大60db，倍數(shù)可調(diào)。 2）步進(jìn)10db由單片機(jī)控制7279a實(shí)現(xiàn)，其誤差不大于5% 3）在2fc處放大器與濾波器的總電壓增益不大于30db 4）截止頻率從1khz到10khz可調(diào)，精度達(dá)到1% 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 二、指導(dǎo)教師評語：指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 三、成績驗(yàn)收蓋章： 年 月 日 目錄電子綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告書1目錄3程控濾波器的設(shè)計(jì)4一 設(shè)計(jì)要求41.1 設(shè)計(jì)任務(wù)41

2、.2 設(shè)計(jì)要求41.3 設(shè)計(jì)的相關(guān)分析5二 總體設(shè)計(jì)方案52.1 設(shè)計(jì)思路52.2 方案比較與選擇52.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方框圖12三 理論分析與計(jì)算123.1 可變增益放大器控制信號的理論計(jì)算123.2 開關(guān)電容濾波器相關(guān)理論分析與計(jì)算133.3 橢圓低通濾波器理論分析與設(shè)計(jì)14四 主要功能電路的設(shè)計(jì)154.1 放大器電路154.2 四階橢圓低通濾波電路164.3 濾波器電路174.4 雙路d/a轉(zhuǎn)換電路174.5 有效值測量的電路設(shè)計(jì)174.6 外圍d/a轉(zhuǎn)換電路18五 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)195.1 軟件總體介紹195.2 程序流程圖19六 測試數(shù)據(jù)與分析196.1 測試原理與方法19

3、6.2 測試數(shù)據(jù)結(jié)果20七 仿真21八 設(shè)計(jì)總結(jié)22參 考 文 獻(xiàn)22附錄23程控濾波器的設(shè)計(jì)一 設(shè)計(jì)要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作程控濾波器，其組成如圖1.1所示。放大器增益可設(shè)置、低通或高通濾波器通帶、截止頻率等參數(shù)可設(shè)置。圖1.1程控濾波器組成框圖1.2 設(shè)計(jì)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(jìn)可調(diào)，通頻帶為100hz40khz，放大器輸出電壓無明顯失真。（2）濾波器可設(shè)置為低通濾波器，其-3db截止頻率fc在1khz20khz范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)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

4、器可設(shè)置為高通濾波器，其-3db截止頻率fc在1khz20khz范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)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(shè)置參數(shù)顯示功能。1.3 設(shè)計(jì)的相關(guān)分析本題要求實(shí)現(xiàn)峰峰值為20mv的小信號程控放大；后級濾波器高通或低通類型可以選擇；-3db截止頻率可以程控，并實(shí)現(xiàn)1khz步進(jìn)；以及帶阻范圍內(nèi)衰幅度要低于指定值。其難點(diǎn)在于小信號放大至60db；程控濾波的制作達(dá)到步進(jìn)、截止頻率和帶外增益的三項(xiàng)指標(biāo)。這里主要包括一個增益可調(diào)節(jié)的放大器和一個參數(shù)可設(shè)置的濾波器。仔細(xì)分析后不難發(fā)現(xiàn)，題目的難

5、點(diǎn)主要有：放大器增益誤差5，程控高通濾波器的實(shí)現(xiàn)，四階橢圓低通濾波器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。 二 總體設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)思路根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)基于開關(guān)電容濾波器的原理，以集成濾波器芯片max263為核心，實(shí)現(xiàn)了一個程控濾波器。前級放大器可以設(shè)置60db的增益調(diào)節(jié)范圍，步進(jìn)10db，增益誤差5以內(nèi)。濾波器可設(shè)置為低通或高通模式，截止頻率在1k20khz內(nèi)可調(diào)，頻率步進(jìn)最低500hz，誤差10以內(nèi)。發(fā)揮部分中自行設(shè)計(jì)了50khz的四階橢圓低通濾波器，帶內(nèi)起伏0.5db。系統(tǒng)還擴(kuò)展了一個可以顯示幅頻特性曲線的測試儀，頻率步進(jìn)有10khz和1khz兩檔。整個系統(tǒng)操作簡單，測試效果良好。2.2 方案比較與選擇

6、2.2.1 前級放大器的方案比較與選擇總體結(jié)構(gòu)方案的確定放大器的輸入信號振幅為10mv，屬于微弱信號。為了提高其信噪比，便于后級處理，我們對輸入信號進(jìn)行了一級固定增益放大。考慮到題目要求的動態(tài)范圍較寬，我們把增益調(diào)節(jié)部分設(shè)置為兩級。結(jié)構(gòu)框圖如下：圖2.2.1 放大器結(jié)構(gòu)框圖 經(jīng)實(shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)uc3843芯片雖然可以完成，但負(fù)載調(diào)整率等參數(shù)不是很理想，且用x9312調(diào)試時發(fā)現(xiàn)接入系統(tǒng)后可能由于制版時地沒有分開，導(dǎo)致有干擾，使步進(jìn)不穩(wěn)定。輔助電源部分mc34063也可以，但市場上劣質(zhì)芯片很多，使系統(tǒng)供電不穩(wěn)定。所以本設(shè)計(jì)最后選用方案二。增益調(diào)節(jié)方案的比較與選擇方案一：采用三極管搭接實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)增益

7、60db，可以采用多級放大電路實(shí)現(xiàn)。對電路輸出采用二極管包絡(luò)檢波產(chǎn)生反饋電壓調(diào)節(jié)前級電路實(shí)現(xiàn)增益的程控。本方案由于大量采用分立元件，如三極管等，電路復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，增益控制和高帶寬均難以實(shí)現(xiàn)。而且不可控因素多，電路穩(wěn)定性差，調(diào)試難度也大。故不采用。方案二：采用固定增益放大加d/a程控衰減的方法。首先對信號進(jìn)行足夠增益的放大，然后利用dac輸出信號與參考電壓的比例關(guān)系，從參考端輸入信號，通過改變控制字達(dá)到對輸出信號衰減控制的目的。此方案只要選擇合適的dac，就可以達(dá)到高精度和高靈敏度的增益控制，配合前級信號預(yù)放大，可實(shí)現(xiàn)增益可程控的放大器。但是由于d/a轉(zhuǎn)換器本身的速度問題，頻率范圍只能達(dá)到幾

8、十khz，對后級要求頻率達(dá)到200khz的測試造成影響，而且其噪聲也很大，所以放棄此方案。方案三：利用程控放大電路實(shí)現(xiàn)。即采用通用的反相放大電路，通過開關(guān)切換不同的反饋電阻，從而改變放大倍數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)放大器的增益調(diào)節(jié)。方案四：利用可變增益放大器實(shí)現(xiàn)。即選用可變增益放大器芯片，通過給出不同的控制信號改變其放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)放大器的增益調(diào)節(jié)。方案三只能實(shí)現(xiàn)有限的增益調(diào)節(jié)，且電路復(fù)雜度隨增益步進(jìn)值的減小而大幅增加；而方案四中只要控制信號足夠精確便可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)值很小的增益調(diào)節(jié)，可擴(kuò)展性和靈活性優(yōu)于方案三，故本系統(tǒng)采用方案四。2.2.2 程控濾波器的方案比較與選擇方案一：數(shù)字濾波法。fpga內(nèi)部寫濾波器，

9、實(shí)現(xiàn)模擬濾波的數(shù)字化。數(shù)字濾波器的中心頻率可通過送入不同的抽頭系數(shù)而改變。它的濾波特性好，可靠性高，無需改變硬件，程控方便。但是，實(shí)際嘗試發(fā)現(xiàn)，要達(dá)到較好的濾波效果，濾波器的階數(shù)都在幾十階，占用系統(tǒng)資源巨大。而且在濾波器前要加入取樣保持電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，濾波后需要da轉(zhuǎn)換輸出，增加了對系統(tǒng)硬件的要求。方案二：設(shè)計(jì)電阻可調(diào)的rc有源濾波器。利用數(shù)字電位器代替rc有源濾波器其中一個電阻達(dá)到對該濾波器截止頻率的改變。但此方案由于單電阻對截止頻率調(diào)節(jié)范圍的局限，同時數(shù)字電位器也存在量化程度的局限，很難實(shí)現(xiàn)高精度。方案三：采用連續(xù)時間方式有源濾波器芯片，通過選通外圍設(shè)計(jì)電阻來實(shí)現(xiàn)截止頻率可調(diào)。此方案要實(shí)

10、現(xiàn)1khz步進(jìn)可調(diào)，就需要構(gòu)建龐大的電路，無論從焊接和調(diào)試的角度都不可取。方案四：采用開關(guān)電容式濾波器芯片。通過程序控制對該芯片進(jìn)行q值，階次，中心頻率/截止頻率的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)通用的濾波器設(shè)計(jì)，而且控制簡單，且精度較高，阻帶衰減程度也能滿足要求。比較上述四個方案，方案四具有明顯的優(yōu)勢，所以選擇方案四。2.2.3 橢圓低通濾波器的方案比較與選擇方案一：采用數(shù)字濾波方案。應(yīng)用軟件工具只需要輸入相關(guān)參數(shù)，就可以自動生成仿真圖以及fpga中的應(yīng)用模塊，直觀化，智能化。但有時仿真的結(jié)果與實(shí)際效果不完全相符，甚至相差較大，需要大量的實(shí)踐摸索。方案二：選用專用的橢圓濾波器芯片實(shí)現(xiàn)。此方案的缺點(diǎn)是無法達(dá)到題

11、目中要求的q值和帶內(nèi)平坦度。方案三：利用無源lc電路實(shí)現(xiàn)。由lc構(gòu)成的無源濾波器能更好的處理較高頻率輸入信號的響應(yīng)，且4階濾波器僅包含5個分立元件，實(shí)現(xiàn)較為簡單。比較三種方案，方案三的實(shí)現(xiàn)最為簡單，且可行性最高，所以采用方案三。2.2.4 掃頻信號源的方案論證與選擇方案一:采用單片函數(shù)發(fā)生器作為信號源,通過調(diào)整外圍元件的參數(shù)可以改變輸出頻率. 但外接的電阻電容對參數(shù)影響很大，因而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度較差、精度低、抗干擾能力低,且不易進(jìn)行控制，通常不能當(dāng)作信號源使用。方案二:采用數(shù)字鎖相環(huán)(pll)頻率合成技術(shù).其基本原理框圖如圖2.2.2所示:通過改變程序分頻器的分頻比可改變壓控振蕩器的輸出頻率，

12、從而獲得大量可供利用的頻率穩(wěn)定度等同于參考頻率的頻率點(diǎn)?；阪i相環(huán)的窄帶跟蹤特性，可以很好的選擇所需頻率信號，抑制雜散分量，鎖相式頻率合成得到所需頻率的方波以后，經(jīng)過截止頻率動態(tài)可控的低通濾波器就可以得到正弦波。但由于鎖相環(huán)本身是一個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間長，故頻率轉(zhuǎn)換時間長，整個測試儀的反應(yīng)速度就會很慢.同時頻率受vco可變頻率范圍的影響，帶寬無法達(dá)到題目的要求。圖2.2.2 數(shù)字鎖相環(huán)基本原理框圖方案三: 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(direct digital frequency synthesis簡稱ddfs或dds)。dds以nyquist時域采樣定理為基礎(chǔ)，在時域中進(jìn)行頻率合成，基本原理框圖

13、如圖2.2.3所示：圖2.2.3 dds基本原理框圖dds基于相位累加合成技術(shù)，在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)頻率合成，可以輸出高精度與高純度的頻率信號, 頻率范圍大，精度高，控制性好且容易實(shí)現(xiàn)。方案四：采用集成dds芯片ad9851。ad9851是ad公司推出的采用先進(jìn)cmos技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度的直接數(shù)字合成器。外接參考頻率源時，ad9851可以產(chǎn)生頻譜純凈、頻率和相位都可控且穩(wěn)定度非常高的正弦波，具有即時的頻率轉(zhuǎn)換、控制靈活、體積小、成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。方案三和方案四都可以滿足題目的要求，但方案三輸出的波形比方案四輸出的波形要好，所以最后選擇方案三。2.2.5 幅度測量的方案論證與選擇方案一：模擬方

14、法實(shí)現(xiàn)峰值檢波。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2.2.4所示：其原理為：當(dāng)輸入電壓正半周通過時，檢波管導(dǎo)通，對電容c充電。適當(dāng)選擇電容值，使得電容放電速度大于充電速度，這樣，電容兩端的電壓可以保持在最大電壓處從而實(shí)現(xiàn)峰值檢波。二極管d2用于補(bǔ)償d1的導(dǎo)通壓降，提高測量精度。為隔離后級，增加由運(yùn)算放大器構(gòu)成的射極跟隨器。此電路適合于測量中高頻率段的信號，但當(dāng)頻率較低時檢波的紋波較大，電容等外圍分立器件參數(shù)值的不準(zhǔn)確也會帶來較大誤差。圖2.2.4 峰值檢波電路方案二：數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)峰值測量。基本思路是將信號的瞬時幅值經(jīng)a/d采樣送入fpga，在信號周期內(nèi)對輸入信號的采樣值進(jìn)行大小比較，從而得出信號的峰值或者峰峰值

15、。比較在fpga內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，可簡化測量電路且實(shí)現(xiàn)容易。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2.2.5所示：fpga內(nèi)部設(shè)置兩個暫存器，分別存儲目前測到的最大值和最小值，下一個信號被采集進(jìn)來以后，分別和這兩個暫存器里面的數(shù)據(jù)相比較，若大于原來存儲的最大值，則用這個值覆蓋原最大值；若小于最小值，則用這個值覆蓋原最小值；若介于最大值與最小值之間，則丟棄該值，等待下一個采樣值的來臨。每個信號周期結(jié)束時，暫存器1和暫存器2的差值就是峰峰值。數(shù)字測量可使精度和穩(wěn)定度都得到進(jìn)一步提高，且避免了模擬器件不穩(wěn)定或漂移等因素的影響，減少峰值檢測的誤差。但這種方法對采樣點(diǎn)數(shù)的要求比較高，通常情況下，保持波形失真度小，要求波形至少由64個

16、點(diǎn)組成，這就大大地限制了數(shù)字測量方法的測量頻率范圍。要克服測量頻率的瓶頸可以采用欠采樣的辦法，但會大大降低實(shí)時性，并且也會增加數(shù)字處理的復(fù)雜度。方案三：通過有效值測量進(jìn)而得到幅值。由于所用的測試信號源輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，所以有效值與幅值之間存在簡單的線性關(guān)系，利用這一線性關(guān)系，可以將測量的有效值轉(zhuǎn)化為幅值。這種方法只需要在有效值檢波芯片的外圍添加適當(dāng)?shù)碾娮?、電容即可?shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)十分簡單。檢波芯片采用ad637，測量峰值系數(shù)高達(dá)10的信號時附加誤差僅為1%，且頻帶較寬。故本系統(tǒng)采用方案三。圖2.2.5 數(shù)字法峰值測量框圖2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方框圖根據(jù)上面的方案選擇，我們確定了最終的

17、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)數(shù)字部分主要包括單片機(jī)及fpga中的放大器增益控制、時鐘頻率生成和頻率特性測量與顯示三個模塊，模擬部分主要包括放大器、濾波器和幅頻特性測試儀三個模塊。放大器模塊通過三級放大實(shí)現(xiàn)060db的增益調(diào)節(jié)范圍，濾波器包括由集成濾波器max263構(gòu)成的低通和高通濾波器以及自行設(shè)計(jì)的橢圓濾波器，幅頻特性測試儀由dds掃頻信號源、有效值檢波及a/d轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。詳細(xì)的系統(tǒng)組成框圖2.3.1如下：三 理論分析與計(jì)算3.1 可變增益放大器控制信號的理論計(jì)算我們選用ad公司的ad603作為可變增益放大器，該芯片的增益與控制電壓的關(guān)系式如下: ，為控制電壓，改變范圍為1v。我們選用16位d/a轉(zhuǎn)換

18、器max542用于給出雙極性的控制電壓，基準(zhǔn)源取2.5v，可以得到理論上增益步進(jìn)的最小值為，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過題目要求。y軸x軸/掃頻輸出緩沖電路程控增益電路可變增益放大器前級放大1k負(fù)載多路復(fù)用器高通濾波器低通濾波器橢圓低通濾波器頻率特性測量與顯示模塊時鐘頻率生成模塊放大器增益控制單片機(jī)矩陣鍵盤液晶控制鍵盤掃描系統(tǒng)總線精密d/a轉(zhuǎn)換電路雙路d/a電路a/d轉(zhuǎn)換電路有效值檢波有效值檢波點(diǎn)陣液晶掃頻輸入fpga輸入信號放大器濾波器圖2.3.1 系統(tǒng)組成框圖3.2 開關(guān)電容濾波器相關(guān)理論分析與計(jì)算3.2.1 開關(guān)電容濾波器開關(guān)電容濾波器以有源濾波為例，其基本原理是以帶高速開關(guān)的電容器替代濾波器中的電阻元件來

19、作為等效可控電阻，如圖3.2.1所示。t1，t2為受頻率遠(yuǎn)高于信號頻率的兩路互為反相的同步時鐘控制的等效開關(guān)。由于兩開關(guān)交錯導(dǎo)通，所以電容c1會不斷地把從電壓源得到的電荷轉(zhuǎn)移到電容c2上，由此可計(jì)算出每個時鐘周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)1，2間的平均電流為，當(dāng)tc足夠小時，就可以得到等效積分時間常數(shù)，通過改變時鐘周期tc和電容比值c2/c1就可以改變影響濾波器頻率響應(yīng)的時間常數(shù)，達(dá)到控制的目的。圖 .2 濾波器q值的確定我們采用了maxim公司的集成開關(guān)電容濾波器max263，它可以通過外接引腳編程來設(shè)置濾波器的q值。按照數(shù)據(jù)手冊中的資料，q值與帶內(nèi)最大增益g(v/v)之間的關(guān)系為,為使帶內(nèi)盡量

20、平坦，應(yīng)該使，代入上面的關(guān)系式，可得，故可將濾波器的q值定在0.707左右。3.2.3 頻譜混疊現(xiàn)象的相關(guān)理論分析與解決 由于時鐘信號的存在，開關(guān)電容濾波器相當(dāng)于一個采樣系統(tǒng)，滿足奈奎斯特采樣定理。由于max263內(nèi)部對時鐘信號clk進(jìn)行了二分頻，故clk/4附近及以上的信號都存在頻譜混疊現(xiàn)象，從而使輸出波形產(chǎn)生失真。為了解決這個問題，需要加大clk與截止頻率的比值，使輸入信號的頻段遠(yuǎn)離時鐘信號所在頻段。3.3 橢圓低通濾波器理論分析與設(shè)計(jì)橢圓低通濾波器是基于橢圓函數(shù)低通響應(yīng)，利用歸一化思想設(shè)計(jì)的低通濾波器。其衰減特性可表示為，其中由波紋確定，為n階的橢圓函數(shù)，對于偶數(shù)n階的橢圓函數(shù)，其極點(diǎn)和

21、零點(diǎn)可表示為：其中m=n/2。所以對于四階的橢圓函數(shù)，在阻帶和通帶內(nèi)會存在相等的波紋，而且阻帶內(nèi)的陷波點(diǎn)數(shù)為1個。因此橢圓濾波器在通帶和阻帶內(nèi)特性都允許起伏，而且具有最好的截止特性，但它對元件值的要求特別嚴(yán)格。所謂歸一化，就是把已知濾波器的所有電抗元件都除以一個頻率標(biāo)度系數(shù)（fsf），把該濾波器的響應(yīng)標(biāo)定到（移到）不同的頻率范圍。利用歸一化思想設(shè)計(jì)，通過選定橢圓濾波器的最小阻帶衰減分貝數(shù)，出現(xiàn)的最低阻帶頻率，通帶波紋以及陡度系數(shù)，查表得到一組歸一化參數(shù)，最后利用公式和對實(shí)際參數(shù)進(jìn)行換算，其中z為濾波器的特征阻抗，以完成對橢圓濾波器的設(shè)計(jì)。題目要求設(shè)計(jì)四階橢圓低通濾波器，要求截止頻率為50khz

22、，帶內(nèi)起伏1db,同時200khz處放大器與濾波器總增益小于5db。所以根據(jù)題目要求，可以參考電子濾波設(shè)計(jì)手冊3中表12-56選取適合的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。四 主要功能電路的設(shè)計(jì)4.1 放大器電路 該電路分為三級。第一級采用低噪聲運(yùn)放進(jìn)行固定增益放大,以提高輸入信號的信噪比。中間級采用可變增益放大器ad603,動態(tài)增益范圍30db，后級為兩檔程控放大，增益之差為30db，最終實(shí)現(xiàn)060db的增益范圍。電路如下圖4.1.1所示：4.2 四階橢圓低通濾波電路該電路為lc無源電路，如下圖4.1.2。根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)手冊中的歸一化設(shè)計(jì)表格，可以查表得到所需要的電容電感值。圖4.1.1 放大器電路圖4.2.1

23、四階橢圓低通濾波電路該電路通過軟件仿真的幅頻特性結(jié)果如圖4.2.2所示： 圖4.2.2仿真后得到的幅頻特性圖實(shí)際測試結(jié)果為：帶內(nèi)起伏0.5db,截止頻率50khz附近。4.3 濾波器電路圖4.3.1 濾波器電路4.4 雙路d/a轉(zhuǎn)換電路 圖4.4.1 雙路d/a轉(zhuǎn)換電路4.5 有效值測量的電路設(shè)計(jì)有效值測量采用ad公司的有效值檢測芯片ad637完成，ad637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括有源整流器(即絕對值電路)、平方/除法器、濾波放大器、獨(dú)立的緩沖放大器(緩沖放大器既可以作為輸入緩沖用，也可以構(gòu)成有源濾波器來濾除紋波，提高測量準(zhǔn)確度)、偏置電路五部分。本系統(tǒng)中ad637的應(yīng)用電路如4.5.1：其中13腳為

24、信號輸入端，14腳為有效值直流輸出端。4.6 外圍d/a轉(zhuǎn)換電路從fpga中出來的數(shù)據(jù)通過兩路d/a分別輸入示波器的x軸和y軸。其中x軸輸出鋸齒波，y軸輸出幅值。通過x軸鋸齒波的掃描將最終的曲線顯示在示波器上。d/a轉(zhuǎn)換器采用dac0800，其電路圖如圖4.6.1所示： 圖4.5.1 有效值測量的電路 由于示波器x軸輸出鋸齒波，故d/a輸出需接高帶寬、高擺率的運(yùn)算放大器，這里選用的是具有超高擺率的運(yùn)放ad844。dac0800的基準(zhǔn)電壓接+5v。五 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)5.1 軟件總體介紹本系統(tǒng)的軟件部分遵循結(jié)構(gòu)化和層次化的設(shè)計(jì)原則，由一個主程序及若干子程序構(gòu)成。5.2 程序流程圖我們的程序以按鍵中

25、斷為主線，以各項(xiàng)功能作為分支，詳細(xì)流程圖5.2.1以及設(shè)計(jì)源程序見附錄。圖4.6.1 外圍d/a轉(zhuǎn)換電路六 測試數(shù)據(jù)與分析6.1 測試原理與方法 本系統(tǒng)需要測試的數(shù)據(jù)主要是放大器的電壓增益和濾波器-3db的截止頻率。具體測試方案如下圖。測試放大器增益時，利用毫伏表測出放大器輸入及輸出信號的有效值，將算出的增益與程序預(yù)置值比較即可；測試濾波器截止頻率時，改變輸入信號的頻率，同時利用毫伏表測出濾波器輸出及輸入信號的有效值，直到兩者之比為-3db時記下頻率值，然后再與預(yù)置值比較即可。濾波器輸入信號輸入10mv信號放大器毫伏表毫伏表毫伏表毫伏表 圖6.1.1 放大器增益測試方案框圖 圖6.1.2 濾波

26、器截止頻率測試方案框圖是否啟動幅頻特性測試啟動放大器增益設(shè)置高通濾波模式低通濾波模式橢圓濾波模式設(shè)置濾波頻率設(shè)置增益倍數(shù)自動步進(jìn)是否顯示示波器顯示按鍵中斷入口設(shè)置濾波頻率手動步進(jìn)按鍵中斷出口圖5.2.1 程序流程圖6.2 測試數(shù)據(jù)結(jié)果6.2.1 放大器增益的測試數(shù)據(jù)結(jié)果表1 放大器增益的測試數(shù)據(jù)結(jié)果 輸入信號頻率100hz實(shí)際增益(db)10.119.929.939.949.859.7預(yù)置增益（db）10 20 30 40 50 60相對誤差1.0%0.5%0.3%0.3%0.4%0.5%1khz實(shí)際增益(db)40.149.859.8預(yù)置增益（db） 10 20 30

27、 40 50 60相對誤差1.0%0.5%0.0%0.3%0.4%0.3%40khz實(shí)際增益(db)9.919.729.739.7 4959.3預(yù)置增益（db） 10 20 30 40 50 60相對誤差1.0%1.5%1.0%0.8%2.0%1.2%6.2.2 低通濾波器截止頻率的測試數(shù)據(jù)結(jié)果表2 低通濾波器截止頻率的測試數(shù)據(jù)結(jié)果預(yù)置值(khz) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20實(shí)測值(khz)1.973.965.957.969.9511.913.915.717.619.6相對誤差1.5%1.0%0.8%0.5%0.5%0.8%0.7%1.9%2.2%2.0%6.2.3 高

28、通濾波器截止頻率的測試數(shù)據(jù)結(jié)果表3 高通濾波器截止頻率的測試數(shù)據(jù)結(jié)果預(yù)置值(khz)2468101214161820實(shí)測值(khz)2.023.996.047.989.9312.014.016.417.920.1相對誤差1.0%0.3%0.8%0.6%0.7%0.0%0.0%2.5%0.6%0.5%七 仿真 啟動仿真后，彈出如下圖對話框，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。設(shè)置好參數(shù)后直接運(yùn)行，收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖7.1.1 參數(shù)設(shè)置對話框圖圖7.1.2 總體設(shè)計(jì)電路圖八 設(shè)計(jì)總結(jié)完成了可控放大電路，可控濾波電路等基本要求，可控放大電路0db到60db可調(diào)，精度達(dá)到了我們的要求，可控濾波電路能選擇高低通設(shè)置，并且在

29、1khz到10khz可調(diào)，精度達(dá)到1%，此外，我們很好的發(fā)揮了四階橢圓濾波器的設(shè)計(jì)和簡易幅頻特性儀，并很好達(dá)到設(shè)計(jì)要求。參 考 文 獻(xiàn) 1 李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用m.西安:西安電子科技大學(xué)出版,2002:63-78.2 張俊謨.單片機(jī)中級教程m.北京:北京航空航天大學(xué)出版,2000:36-45.3 王彥. fpga系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐m.北京:電子工業(yè)出版社,2005 4 蔡錦福.運(yùn)算放大器原理與應(yīng)用m.北京:科學(xué)出版社,2005 5 王娟.proteus在單片機(jī)專題實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用j.產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用,2012,11(01):67-686 肖景和.集成運(yùn)算放大器應(yīng)用精粹j.電氣電子教學(xué)報(bào),2010,1

30、0(11):77-82 7 范燾.基于proteus的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究j.實(shí)驗(yàn)學(xué),2011,33(01):131-132附錄程控濾波器程序清單定義各個變量和i/o口，初始化顯示：#include #include #include #include #include ；/函數(shù)聲明；void xianshi(void); /該程序?qū)⑹?個數(shù)碼管顯示數(shù)字0；void write_word(void)；/7279處理函數(shù)；void write_byte(void)； /寫一個字到7279，帶數(shù)據(jù)的指令；void read_key(void)； /讀鍵盤函數(shù)；void delay_ms(unsigned cha