課程設(shè)計(jì)：程控濾波器

1、2007年D題 程控濾波器本系統(tǒng)以凌陽16位單片機(jī)為控制核心，利用開關(guān)電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)程控濾波的功能。前端放大器由運(yùn)放和數(shù)字電位器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了增益060dB，步進(jìn)10dB可調(diào)。 程控濾波器摘要：本系統(tǒng)以凌陽16位單片機(jī)為控制核心，利用開關(guān)電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)程控濾波的功能。前端放大器由運(yùn)放和數(shù)字電位器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了增益060dB，步進(jìn)10dB可調(diào)。濾波器采用模擬開關(guān)和電容的組合替代電阻的技術(shù)，構(gòu)成RC有源濾波網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了程控高通、低通濾波截止頻率1KHz20KHz，步進(jìn)1KHz可調(diào)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了四階低通橢圓濾波器。利用單片機(jī)和直接數(shù)字調(diào)制技術(shù)（Direct Digital synthesizer）芯片AD98

2、50，設(shè)計(jì)并制作了簡(jiǎn)易幅頻特性測(cè)試儀，掃頻輸出信號(hào)范圍從100Hz到200KHz，步進(jìn)10 KHz可調(diào)。人機(jī)接口采用44鍵盤及LCD液晶顯示器，控制界面直觀、簡(jiǎn)潔，具有良好的人機(jī)交互性能。關(guān)鍵詞：程控濾波 凌陽16位單片機(jī) 數(shù)字電位器 開關(guān)電容1. 方案論證 經(jīng)過仔細(xì)研究分析，我們認(rèn)為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖1.1如下所示： 根據(jù)題目要求，我們分以下三部分進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與論證11主控單元方案一：采用80C51系列單片機(jī)，但其與外圍設(shè)備的接口電路較為復(fù)雜。方案二：采用凌陽SPCE061A單片機(jī)。它中斷資源豐富，而且內(nèi)置了在線仿真、編程接口，可方便地實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。經(jīng)過比較后采用方案二。12 放大器部分程控放大

3、器的增益，一般有兩種途徑，一種是改變反相端的輸入電阻，另一種是改變負(fù)反饋電阻阻值。方案一：采用模擬開關(guān)或繼電器作為開關(guān)，構(gòu)成梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，單片機(jī)控制繼電器或模擬開關(guān)的通斷，從而改變放大器的增益。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是電阻網(wǎng)絡(luò)的匹配難以實(shí)現(xiàn)，調(diào)試很困難。方案二：用DAC的電阻網(wǎng)絡(luò)，改變電阻的方法，電流輸出型DAC內(nèi)含R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，可以作為運(yùn)放的反饋電阻或輸入電阻，在DAC輸入數(shù)據(jù)的控制下，實(shí)現(xiàn)放大器增益的程控改變。該方案的優(yōu)點(diǎn)無需外接精密電阻，增益完全由輸入的數(shù)字量決定，就可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大或衰減，使用方便；缺點(diǎn)是信噪比較低，通頻帶較窄。方案三：非易失性數(shù)字電位器改變電阻，克服了模擬電

4、位器的主要缺點(diǎn)，無噪聲，壽命長(zhǎng)，阻值可程控改變，設(shè)定阻值掉電記憶。該方案優(yōu)點(diǎn)是增益范圍寬，占用P口少，成本低。通頻帶取決于運(yùn)放的通頻帶。在本題中，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。由于輸入信號(hào)幅值很小，所以我們選用高精度的測(cè)量放大器AD620。我們采用方案三，非易失性數(shù)字電位器與測(cè)量放大器的組合，實(shí)現(xiàn)程控放大器。電壓增益為60dB，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。12 濾波器部分根據(jù)題目要求低通濾波器在2fc處，高通濾波器在0.5fc處，放大器與濾波器的總電壓增益不大于30dB，我們選

5、用二階電壓控制濾波器。 圖1.2二階電壓控制濾波器改變截止頻率有以下方案方案一：采用模擬開關(guān)或繼電器作為開關(guān)，切換不同的RC組合來改變截止頻率，優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是電阻網(wǎng)絡(luò)的匹配難以實(shí)現(xiàn)，調(diào)試很困難適合截止頻率調(diào)節(jié)檔位較少的濾波器。方案二：固定電容C，采用非易失性數(shù)字電位器改變電阻的數(shù)值，從而改變截止頻率。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單， 缺點(diǎn)數(shù)字電位器是分檔調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)電阻的連續(xù)可調(diào)，很難實(shí)現(xiàn)截止頻率的精確調(diào)節(jié)。方案三：利用開關(guān)電容技術(shù)，利用開關(guān)和電容的組合來替代電阻，電容值保持不變，我們只要控制開關(guān)的頻率，就可以等效的改變電阻，完成對(duì)濾波器截止頻率的設(shè)置。對(duì)于具體分析方法在后面有詳細(xì)敘述。我們選擇方案

6、三，當(dāng)前較先進(jìn)的技術(shù)，并且已經(jīng)有了成熟的產(chǎn)品，例如max260可編程濾波器 1.2方案論證（1）放大器方案論證放大器輸入正弦信號(hào)電壓振幅為10mV，對(duì)于毫伏級(jí)的信號(hào)放大一般要采用具有高共模抑制比、高精度、高輸入阻抗的測(cè)量放大器。放大器電路采用AD620和數(shù)字電位器組成。數(shù)字電位器使用的是X9241MAPI，它把0-2K,0-10K,0-10K,0-50K四個(gè)可調(diào)電阻集成在一個(gè)單片的CMOS微電路中的數(shù)控電位器，步進(jìn)分別為34，170，170，850，經(jīng)過組合步進(jìn)更小，所以放大倍數(shù)也被控制在一個(gè)很精確的范圍。（2）濾波器方案論證我們采用的是RC結(jié)構(gòu)的二階濾波電路。低通濾波時(shí)：根據(jù)二階的低通濾波函

7、數(shù)，在大于截止頻率fc 時(shí)，幅頻特性曲線以40/10f速度下降，所以在2 fc 處的增益為-12.04dB。再加上放大器的40dB增益，總增益為27.96dB，達(dá)到了題目小于30 dB的要求。高通濾波時(shí)：根據(jù)二階的高通濾波函數(shù)，在小于截止頻率fc 時(shí)，幅頻特性曲線以40/10f速度上升，所以在0.5 fc 處的增益為-12.04dB。再加上放大器的40 dB增益，總增益為27.96dB，也達(dá)到了題目小于30 dB的要求。在電阻的選取上，我們采取了開關(guān)電容取代電阻的方案?；鹃_關(guān)電容單元的原理圖，如下： 開關(guān)S1，S2采用通段受方波信號(hào)控制的模擬開關(guān)，當(dāng)為高電平時(shí)開關(guān)S1閉合，當(dāng)為低電平時(shí)S1開

8、通。S2的開通關(guān)斷情況與S1相反。在時(shí)鐘周期Tc內(nèi)，從1端向2端傳輸?shù)碾姾闪繛椋?。而電流為： 可見基本開關(guān)電容單元可以等效為一個(gè)電阻 。而且方波信號(hào)的頻率與信號(hào)頻率的比值越大，這種近似性越好。2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 圖2.1程控濾波器結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)以凌陽61單片機(jī)作為主控單元，將設(shè)計(jì)任務(wù)分為放大器，低通濾波器，高通濾波器，橢圓濾波器，人機(jī)接口單元等功能模塊。放大器用AD620和數(shù)字電位器組成的放大電路兩級(jí)串聯(lián)構(gòu)成。單片機(jī)通過控制數(shù)字電位器的阻值大小來控制放大器放大倍數(shù)。濾波器在單片機(jī)控制信號(hào)作用下在低通，高通，橢圓三種工作方式的切換。低通和高通濾波電路采用模擬開關(guān)，電容和運(yùn)算放

9、大器組成，單片機(jī)通過控制模擬開關(guān)的通斷頻率，來實(shí)現(xiàn)截止頻率的調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了良好的人際交互接口，實(shí)現(xiàn)了鍵盤處理，液晶顯示，語音報(bào)數(shù)等功能。2. 2單元電路的設(shè)計(jì)2.2. 1放大器電路設(shè)計(jì)由于運(yùn)算放大器在高頻時(shí)，其帶寬下降，放大倍數(shù)減小，因此我們采用兩級(jí)放大，具體電路圖如圖2.2：2.2.2 濾波器電路設(shè)計(jì)現(xiàn)以低通濾波電路設(shè)計(jì)為例說明。對(duì)于二階低通濾波電路， 圖2.3傳遞函數(shù)為： 其中 , ,為了在截止頻率附近有較平坦的幅頻特性曲線，令Q=0.707,可求出 ,又因?yàn)?,因此 。由對(duì)偶原理可知，二階高通電路中 。用開關(guān)電容原理等效后的電路圖為：圖2.4由前面分析可知 又由開關(guān)電容原理 ，所以

10、 因此，在 與 的比值固定時(shí)，開關(guān)頻 與截止頻率 成正比，因此可用開關(guān)頻率 控制截止頻率 的大小。根據(jù)題目要求，截止頻率 的步進(jìn)為 因?yàn)椋?所以， 當(dāng)截止頻率 時(shí)，開關(guān)頻率 ；當(dāng)截止頻率 時(shí)，開關(guān)頻率 ；同理，二階高通濾波器電路進(jìn)行開關(guān)電容等效后，開關(guān)頻率 可以控制截止頻率 的大小。開關(guān)頻率的大小所對(duì)應(yīng)的截止頻率與低通時(shí)一樣，方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和程序的編寫。2.3發(fā)揮部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）實(shí)現(xiàn)了放大器電壓增益為60dB，輸入信號(hào)電壓振幅為10mV；增益10dB步進(jìn)可調(diào)，電壓增益誤差不大于2%。（2）制作了一個(gè)四階橢圓型低通濾波器，帶內(nèi)起伏1dB，-3dB通帶為50kHz，要求放大器與低通濾波器在2

11、00kHz處的總電壓增益小于5dB，-3dB通帶誤差不大于5%。四階橢圓型低通濾波器由橢圓函數(shù)壓控電壓源（VCVS）低通濾波節(jié)實(shí)現(xiàn)，借助MATLAB設(shè)計(jì)低通橢圓濾波器。1橢圓函數(shù)VCVS濾波節(jié)2根據(jù)設(shè)計(jì)要求，帶內(nèi)起伏 1 ,-3 通帶為50 ，利用MATLAB函數(shù) ,求出濾波器通帶帶寬。調(diào)用MATLAB ellip函數(shù)求出傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)值（見附錄）。 B,Aellip(N, , , ,S);%B為 分子多項(xiàng)式系數(shù)，A為 分母多項(xiàng)式系數(shù) z=roots(B); 求解 零點(diǎn) p=roots(A) %求解 極點(diǎn)每個(gè)低通濾波節(jié)包含一對(duì)共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)和一對(duì)虛數(shù)零點(diǎn)（復(fù)數(shù)極點(diǎn)實(shí)部為x，虛部為 ，零點(diǎn)在 處

12、）。四階橢圓低通濾波器由兩個(gè)濾波節(jié)級(jí)聯(lián)構(gòu)成，零極點(diǎn)按就近原則分配到兩個(gè)濾波節(jié)利用MATLAB編寫程序，按照下列公式計(jì)算各節(jié)阻容參數(shù)。定義系數(shù)： ， ， （ ， ， 取正值）選用常用標(biāo)稱電容值C，令 ，有：, , , , , 附：各濾波節(jié)阻容值A(chǔ): 計(jì)算值 計(jì)算值 218 0.01 218 0.018uF 109 5000pF 5039 5000pF 無限制 5100 20910B: 計(jì)算值 C 計(jì)算值 2813.5 330p 2813.5 9.173nF 1406.8 0.165nF 56827 0.165nF 無限制 5100 247093（3）制作了一個(gè)簡(jiǎn)易幅頻特性測(cè)試儀，其掃頻輸出信號(hào)的

13、頻率變化范圍是100Hz200kHz，頻率步進(jìn)10kHz。 幅頻特性測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖 簡(jiǎn)易幅頻特性測(cè)試儀是以Spce61單片機(jī)位控制核心，由正弦波發(fā)生器，數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等功能模塊組成。其中，掃頻信號(hào)采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)輸出電壓峰值保持不變得正弦波掃頻信號(hào)，由單片機(jī)改變掃頻信號(hào)的頻率從100Hz到200kHz，以10kHz步進(jìn)，從然后測(cè)出對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)峰值。經(jīng)峰值檢測(cè)將交流信號(hào)峰值轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。被單片機(jī)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后讀取。單片機(jī)將輸入信號(hào)頻率大小和輸出峰值存儲(chǔ)在RAM中。從最小頻率掃描到最大頻率后，根據(jù)采集數(shù)據(jù)計(jì)算出幅頻特性曲線顯示在液晶屏上。掃頻信號(hào)由DDS芯片AD9850產(chǎn)生。幅頻

14、特性測(cè)試儀的頻率穩(wěn)定度取決于外接晶振的穩(wěn)定度。選取50MHz的晶振，可以實(shí)現(xiàn)0.01Hz-12.5MHz連續(xù)掃頻，而題目要求的是100Hz -200 KHz，所以它足以滿足要求。DDS技術(shù)是開環(huán)控制，頻率調(diào)節(jié)速度僅受限于邏輯門的延遲，速度高于PLL頻率合成技術(shù)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。所以DDS合成速度快，頻率分辨率高，并且線路簡(jiǎn)單。由于采樣點(diǎn)只有21個(gè)，對(duì)AD轉(zhuǎn)化的速度要求不高。我們選用TLC2543，它是12位分辨率A/D轉(zhuǎn)化器，在溫度范圍內(nèi)10s轉(zhuǎn)換時(shí)間，線性誤差1LSB Max，足以滿足要求。3系統(tǒng)的測(cè)試由于篇幅所限在此僅列出幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果測(cè)試條件：Uipp=10mv,測(cè)試儀器：信號(hào)源采用F4

15、0,示波器放大器性能測(cè)試Uo（40DB）Uo（50DB）Uo（60 DB）輸入信號(hào)頻率理論值實(shí)測(cè)值誤差理論值實(shí)測(cè)值誤差理論值實(shí)測(cè)值誤差100Hz1V0.99V0.01V3.16V3.12V0.04V10V9.890.11V1 KHz1V1.00V0.00V3.16V3.14V0.02V10V9.900.10V20KHz1V0.99V0.01V3.16V3.12V0.04V10V9.880.12V40KHz1V0.99V0.01V3.16V3.11V0.05V10V9.850.15V45KHz1V0.97V0.03V3.16V3.10V0.06V10V9.840.16V經(jīng)過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論

16、：放大器部分電壓增益60dB，增益10DB步進(jìn)可調(diào)，通頻帶超過了40KHz，電壓增益誤差在2%以內(nèi)，放大器部分不僅完成了題目的基本要求，并且完成了發(fā)揮部分的要求。低通濾波器性能測(cè)試測(cè)試條件：Uipp=10mv,測(cè)試儀器：信號(hào)源采用F40,示波器 放大器增益40DB設(shè)定截止頻率fc濾波器輸出電壓0.707Aup 時(shí)實(shí)測(cè)截止頻率誤差 輸入信號(hào)頻率f=1kHz輸入信號(hào)頻率f=0.5 fc輸入信號(hào)頻率f= fc 1kHz輸入信號(hào)頻率f= fc 輸入信號(hào)頻率f=2 fc10 KHz 0.99v1.00v0.710v0.708v0.200v10.5KHz5%20KHz0.98v0.99v0.713v0.7

17、10v0.205v21.2KHz6%經(jīng)過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論：低通濾波器截止頻率1kHz步進(jìn)可調(diào)，通帶性能良好，截止頻率誤差為 6% ，完成了題目的要求。高通濾波器性能測(cè)試測(cè)試條件：Uipp=10mv,測(cè)試儀器：信號(hào)源采用F40,示波器 放大器增益40DB設(shè)定截止頻率fc濾波器輸出電壓0.707Aup 時(shí)實(shí)測(cè)截止頻率誤差 輸入信號(hào)頻率f=1kHz輸入信號(hào)頻率f=0.5 fc輸入信號(hào)頻率f= fc 1kHz輸入信號(hào)頻率f= fc 輸入信號(hào)頻率f=2 fc10 KHz 0.02v0.23v0.698v0.712v0.989v10.4KHz4%20KHz0.03v0.24v0.699v0.713v0.985v21KHz5%經(jīng)過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論：高通濾波器截止頻率1kHz步進(jìn)可調(diào)，通帶性能良好，截止頻率誤差為 % ，完成了題目的要求。橢圓低通濾波器性