基于AT89C52的程控濾波器的設(shè)計與仿真

1、鷺江職業(yè)技術(shù)學(xué)校鷺江職業(yè)技術(shù)學(xué)校畢業(yè)論文畢業(yè)論文論文題目：論文題目： 基于基于 AT89C52AT89C52 程控濾波器的設(shè)計與仿真程控濾波器的設(shè)計與仿真 學(xué)學(xué) 院、院、 系系 ： 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專專 業(yè)業(yè) ( (方方 向向) ) ： 電子科學(xué)與技術(shù)電子科學(xué)與技術(shù) 年年 級級： 2009 級級 學(xué)學(xué) 生生 ： 劉佳麗劉佳麗 指指 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師師 ： 馬銀春馬銀春 _2009_2009_ _年 6 月 20 日聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的成果。對本論文（設(shè)計）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。因本畢業(yè)論

2、文（設(shè)計）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。本畢業(yè)論文（設(shè)計）成果歸蘭州商學(xué)院所有。 特此聲明 畢業(yè)論文（設(shè)計）作者簽名： 年 月 日 I程控濾波器的設(shè)計與仿真程控濾波器的設(shè)計與仿真摘摘 要要本系統(tǒng)實現(xiàn)程控濾波，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。硬件以單片機(jī) AT89C52 為核心控制，主要由PGA103 放大器、程控濾波器 MAX262、橢圓濾波器和幅頻特性測試（DDS）等部分組成。放大器采用 PGA103，實現(xiàn) 60dB 固定增益放大，步進(jìn) 10dB 由單片機(jī)控制 AD7520 實現(xiàn)，其誤差不大于 5%。低通、高通濾波器由單片機(jī)控制可編程濾波器芯片 MAX262 實

3、現(xiàn)，在 2fc處放大器與濾波器的總電壓增益不大于 30dB。幅頻特性測試由 DDS 產(chǎn)生信號經(jīng)峰值檢波后送入 A/D 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計簡單，能很好地實現(xiàn)濾波器的程控，使用方便，具有較高的性價比、實用性和使用價值。在此文中，采用multisim 系統(tǒng)仿真實現(xiàn)程控濾波功能。 關(guān)鍵字關(guān)鍵字 AT89C52AT89C52 程控濾波器程控濾波器 MAX262MAX262 IIABSTRACTThis system can realize the digital programmable filter and also could intercalate the gain of amplifier,

4、the passband parameter and cut-off frequency of LPF or HPF could be intercalated. The hardware uses MCU(AT89C52)as the core to control the system, it consist of the PGA103、MAX262、the four-order elliptic low-pass filter and DDS an so on. The amplifier uses the PGA103, the fixed gain of amplifier is 6

5、0dB, the AT89C52 control the AD7520, it could realize the controled 10dB gain, the error has 5%. The LPF and HPF are realized by the programmable switched-capacitor filter integrated chip MAX262, the chip is controled by the AT89C52, the voltage gain of amplifier and filter is 30 dB in the 2fc, DDS

6、theory is adopted to produce Amplitude-frequency characteristics tester. The design of the system is simple, it is very convenience. In this article, system simulation using multisim achieve programmable filtering.Keywords AT89C52,elliptic,low-pass ,filter,MAX262,Amplitude-frequency,characteristics

7、testerIII目目 錄錄一、引言.1（一）課題背景.1（二）濾波器的發(fā)展.1（三）論題的設(shè)計與要求.2（四）濾波器的分類.2（五）本文的研究內(nèi)容.4二、系統(tǒng)組成.5（一）程控濾波器的總體說明.51、程控放大器電路.52、程控濾波器電路.63、幅頻特性測試設(shè)計.6（二） 系統(tǒng)主要單元電路設(shè)計.71、系統(tǒng)簡介.72、程控放大器電路.83、程控濾波電路.84、四階橢圓低通濾波器設(shè)計電路.105、幅頻特性測試設(shè)計.126、峰值檢波電路.14三、系統(tǒng)電路詳解.17（一）器件介紹.171、單片機(jī) AT89C52.172、濾波器芯片 MAX262.183、固定放大器 PGA103.204、AD7520.

8、21（二）功能電路圖.221、程控放大電路.222、程控濾波電路.233、系統(tǒng)總機(jī)電路.25（三）系統(tǒng)測試及其結(jié)果.271、放大器測試及其結(jié)果.272、低通濾波器測試及其結(jié)果.283、橢圓濾波器測試及其結(jié)果.294、幅頻特性測試及其結(jié)果.305、誤差分析.30四、軟件設(shè)計.30（一）系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn).30（二）系統(tǒng)程序的編譯與仿真.31結(jié) 論.35致 謝.36IV參考文獻(xiàn).37附 錄.381程控濾波器的設(shè)計與仿真程控濾波器的設(shè)計與仿真一、一、引言引言（一）課題背景（一）課題背景什么是濾波器呢？從廣義上來說，凡是有能力進(jìn)行信號處理的裝置都可以稱為濾波器，在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)

9、用極為廣泛，從某種意義上來說濾波器的發(fā)展進(jìn)程就代表了電子業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，在所有的電子部件中，使用最多、技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。我國的電子行業(yè)還處于發(fā)展階段，相對于發(fā)達(dá)國家我們還有不小的差距，所以我們必須投入更大的努力改變這一現(xiàn)狀，從而做到不求人，只求己。（二）濾波器的發(fā)展（二）濾波器的發(fā)展1917 年美國和德國科學(xué)家分別發(fā)明了 LC 濾波器，次年導(dǎo)致了美國第一個多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20 世紀(jì) 50 年代無源濾波器日趨成熟。自60 年代起由于計算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個新臺階，并且朝著低功耗

10、、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為 70 年代以后的主攻方向。導(dǎo)致 RC 有源濾波器 、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到 70 年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。80 年代，致力于各類新型2濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。90 年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。我國廣泛使用濾波器是 50 年代后期的事，當(dāng)時主要用于話路濾波和報路濾波。經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際發(fā)展步伐，

11、但由于缺少專門研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國際發(fā)展有一段距離。（三）論題的設(shè)計與要求（三）論題的設(shè)計與要求（1）放大器輸入正弦信號電壓振幅為 10mV，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。（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 40dB, RL=1k。（3）電壓增益與截止頻率的誤差均不大于 10%。（4）有設(shè)置參數(shù)顯示功能。（四）濾波器的分類（四）濾波器的分類濾

12、波器有各種不同的分類，一般有如下幾種。3濾 波 器模 擬數(shù) 字有 源異 類 無 源取樣模擬數(shù) 字混 合表面波傳輸線各類諧振器陶瓷晶體機(jī)械RLC自適應(yīng)復(fù)數(shù)多維窄帶FIRIIR開關(guān)拓?fù)潆姾赊D(zhuǎn)移器開關(guān)電容CCDBBDRCRCLCSRCMOSSET-C圖 1-1 濾波器的分類（1）按處理信號類型分類按處理信號類型分類，可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個分類。當(dāng)然，每個分類又可繼續(xù)分下去，總之，它們的分類可以形成一個樹形結(jié)構(gòu)，如圖所示。實際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關(guān)電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又可

13、屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不必苛求這種“精確”分類，只是讓人們了解濾波器的大體類型，有個總體概念就行了。4（2）按選擇物理量分類按選擇物理量分類，濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇（例如 PCM 制中的話路信號）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。（3）按頻率通帶范圍分類按頻率通帶范圍分類，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個類別，而梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，因為它有周期性的通帶和阻帶。（五）本文的研究內(nèi)容（五）本文的研究內(nèi)容本次課題主要研究的是以單片機(jī)為核心控制而設(shè)計的程控濾波器，硬件以單片機(jī) AT89C52 為核心控制，主要由 PGA103 放

14、大器、程控濾波器 MAX262、橢圓濾波器和幅頻特性測試（DDS）等部分組成。本系統(tǒng)可實現(xiàn)程控濾波，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。本次課題的仿真部分，用到了 multisim 軟件，主要針對程控濾波器的放大部分與濾波部分。通過設(shè)置函數(shù)信號發(fā)生器的參數(shù)改變輸入信號，由四蹤示波器觀察得輸出信號隨之改變的情況，最后分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。5二、系統(tǒng)組成二、系統(tǒng)組成（一）程控濾波器的總體說明（一）程控濾波器的總體說明按設(shè)計要求，我大致將程控濾波器按功能分為三部分，如圖 21所示：1、程控放大器電路2、程控濾波電路3、幅頻特性測試幅頻特性測試單片機(jī)AT89C52鎖存器60dB

15、放大程控衰減程控濾波器輸出輸入圖 2-1 系統(tǒng)總體框圖1 1、程控放大器電路、程控放大器電路方案一：采用模擬電路搭建，由模擬開關(guān)選擇不同的電阻檔實現(xiàn)步進(jìn)。此方法不占用單片機(jī)資源，使單片機(jī)能更好地控制其它電路，但采用純模擬電路搭建不易控制，且控制精度不高。方案二：程控放大器由兩極電路組成，輸入信號首先經(jīng)過 PGA103固定放大后送入 AD7520 由單片機(jī)控制增益步進(jìn)。由于 AD7520 輸入電壓6幅度的要求，在此采用先固定放大再程控，最后再固定放大。此方法控制精度高，由 AD7520 決定步進(jìn)精度，方便調(diào)節(jié)控制步進(jìn)。原理框圖如圖 22 所示。初步放大增益控制再次放大圖 2-2 程控放大原理框圖

16、基于以上方案比較，我選取方案二。2 2、程控濾波器電路、程控濾波器電路方案一：采用運放構(gòu)成切比雪夫有源濾波電路，通過單片機(jī)間接控制可變電容兩端的電壓改變電容的值來改變截止頻率和程控步進(jìn)。但電路復(fù)雜，不容易控制且精度不高，也不易于帶通帶阻等功能的擴(kuò)展。方案二：選用專用的程控濾波器芯片 MAX262 實現(xiàn)。MAX262 可編程對各種低頻信號實現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器處理，且濾波器的特性參數(shù)如中心頻率、品質(zhì)因數(shù)等可通過編程進(jìn)行設(shè)置?；谝陨戏桨副容^，我選取方案二。3 3、幅頻特性測試設(shè)計、幅頻特性測試設(shè)計采用掃頻的方法：讓不同的頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號通過待測系統(tǒng)，通過比較輸入、輸出波形的幅度關(guān)系

17、，得到系統(tǒng)的幅頻特性。原理框圖如圖 2-3 所示。7信號源檢測網(wǎng)絡(luò)峰值檢波峰值檢波A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)圖 2-3 幅頻特性測試方案一：采用單片機(jī)動態(tài)編程技術(shù)，用軟件產(chǎn)生正弦波數(shù)據(jù)，存入RAM，利用指令尋址，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換輸出波形。用有源峰值檢波器實現(xiàn)峰值檢波，再送入 A/D 轉(zhuǎn)換完成量化，由單片機(jī)控制經(jīng) D/A 輸出得到幅頻特性。因單片機(jī)工作頻率的限制使得其產(chǎn)生的信號采樣點數(shù)少，上限頻率不高。方案二：采用鎖相式頻率合成器，利用 PLL 將 VCO 的輸出品，鎖定在所需頻率上。方案三：采用直接頻率合成（DDS） ，按頻率要求對相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放在存儲器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)

18、 D/A轉(zhuǎn)換、濾波即得所需波形。單片機(jī)通過置入不同的相位增量來實現(xiàn)對正弦波頻率的控制。采用 DDS 產(chǎn)生的信號精度高，線性和穩(wěn)定度好。基于以上方案比較，我選取的是方案三。（二）（二） 系統(tǒng)主要單元電路設(shè)計系統(tǒng)主要單元電路設(shè)計1 1、系統(tǒng)簡介、系統(tǒng)簡介本系統(tǒng)主要以 AT89C52 單片機(jī)為控制核心，由 PGA103 放大器、程控濾波器 MAX262、橢圓濾波器和幅頻特性測試組成。實現(xiàn)了電壓增益放大 60 dB 和 10dB 步進(jìn)，頻率為 1K-20KHZ 步進(jìn)為 1K 的低通高通濾波8器，LC 構(gòu)成的橢圓低通濾波器和掃頻范圍 100-200KHZ 的幅頻特性測試。2 2、程控放大器電路、程控放大

19、器電路程控放大器采用固定放大器（PGA103）加可控電路（AD7520）實現(xiàn)。由于 AD7520 的輸入信號不能太大，所以采用初、次兩極放大。將 D/A看成一個可數(shù)控的電阻網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)增益可變放大，其放大倍數(shù)由單片機(jī)送到 D/A 的數(shù)據(jù)決定。其仿真電路如圖 2-4 所示。圖 2-4 程控放大器3 3、程控濾波電路、程控濾波電路濾波電路采用 MAX262 芯片設(shè)計，MAX262 芯片是 Maxim 公司推出的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，可通過微處理器精確控制濾波器的傳遞函數(shù)（包括設(shè)置中心頻率、品質(zhì)因數(shù)和工作方式） 。在不需外部元件9的情況下就可以構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波和全通濾波器。在程序

20、控制下設(shè)置中心頻率、品質(zhì)因數(shù)和濾波器的工作方式。輸入時鐘頻率與 6 位 編程輸入代碼一起決定濾波器的中心頻率或截止頻率，不影響其他濾波參數(shù)。濾波器 Q 值也可獨立變成。每個濾波器的獨立時鐘輸入端可以連接晶體振蕩器、FC 網(wǎng)絡(luò)或外部時鐘發(fā)生器。片內(nèi)開關(guān)和電容提供反饋以控制每個濾波器的 和 Q。內(nèi)部電容的開關(guān)速率是影響這些參數(shù)精度的主要因素，盡管這些開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)（SCN）實際上為采樣系統(tǒng)，但它們的特性可與連續(xù)濾波器(如 RC 快速濾波器）的特性相媲美。時鐘頻率與中心頻率之比（）保持高值，以便保持理想的二階狀態(tài)變量響應(yīng)。該電路由芯片 AT89C52 的 P1 口來控制,由單片機(jī)的 P0.0P0.5

21、口及 P2.2 將數(shù)據(jù)送入存儲器 74HC573 存起來再送入 MAX262 。通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù),可實現(xiàn)帶寬為 1K-20KHz 的低通、高通、帶通濾波。其濾波電路如圖 2-5 所示。10圖 2-5 四階濾波器4 4、四階橢圓低通濾波器設(shè)計電路、四階橢圓低通濾波器設(shè)計電路四階橢圓低通濾波器，由運放 NE5534、電感、電容等構(gòu)成 LC 有源濾波電路。經(jīng)仿真，各個參數(shù)都得到了圓滿的解決，其仿真電路和防真波形如圖 2-6，2-10 所示。11圖 2-6 四階低通橢圓濾波器32618574U1+12-12R11kR250C657nFC890nFC72.7nFGND12J2CON2GND12J3CO

22、N2C10.1uFC20.1uF+C310uF+C410uF+12GNDGND-12123J1CON3+12GND-12L1220uHL2180uHGNDC51uF圖 2-7 四階低通橢圓濾波器原理圖設(shè)計電路原理：利用集成運算放大器與 RC 低通電路組成有源濾波器，可以提高通帶電壓放大倍數(shù)和帶負(fù)載能力，我采用運放 NE5534，級聯(lián) RC 電路，因為 NE5534 集成了兩塊運放，輸入電壓經(jīng)過四級 RC 低通電路后，接到運放同相端，從而構(gòu)成了四階低通濾波器。從運放的輸出端接一個電容到12同相端，其實是引入了一個反饋，其目的是為了使輸出電壓在高頻段迅速下降，在接近于通帶截至頻率的范圍內(nèi)不致下降太

23、多，從而有利于0f改善濾波特性。當(dāng)時，每級 RC 電路的相位移為-，因為0ff45，故兩級的 RC 電路的總相移為-，因此在接近但又0()farctgf 90f0f低于的頻率范圍內(nèi)，與的相位差接近-，與同相，所以電0foUiU90oUiU容反饋為正反饋，即反饋信號加強(qiáng)了輸入信號的作用，使電壓放大倍數(shù)增大，在接近時，幅頻特性不會下降的太快。當(dāng)時,每級 RC 電0f0ff路的相位移接近-。則兩級 RC 電路的總相移接近-，此時與90180oU反相，反饋為負(fù)反饋，反饋信號減弱輸入信號，放大倍數(shù)降低，于是iU高頻段下降快。因為是兩個運放級聯(lián)構(gòu)成濾波電路，每個運放與 RC 低通電路獨立濾波，所以濾波效果

24、更優(yōu)于二階低通濾波器。 運放輸出信號再接入 RC、LC 電路，構(gòu)成諧振回路，用于提高電路的抗干擾能力，選擇出所需信號。放大倍數(shù)公式如下：010251upouiAUmvAfUmvjf，濾波器的截止頻率為。012fRC1kHZ13圖 2-8 信號源圖 2-9 濾波器輸出信號波形圖 2-10 橢圓濾波器的波特圖可以從波特圖中看出，當(dāng)濾波器的截止頻率為 1K時,衰減為 3dB左右，符合程控濾波器的設(shè)計要求。5 5、幅頻特性測試設(shè)計、幅頻特性測試設(shè)計信號源由直接數(shù)字頻率合成器（DDS）構(gòu)成，峰值檢波采用二極管包絡(luò)檢波電路。信號源經(jīng)被測網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)行峰值檢波，再由A/D采集數(shù)據(jù)送入單片機(jī)處理后由D/A轉(zhuǎn)換送出

25、。測量原理如圖2-11所示。正弦信號發(fā)生器（DDS）被測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、處理、輸出圖 2-11 幅頻特性測試原理框圖14其中，信號源部分電路如下 圖 2-12 信號源電路6 6、峰值檢波電路、峰值檢波電路圖 2-13 峰值檢波原理圖15 +1-2VOUT3U112J1CON2R25.1kC10.15uC20.01uC30.047uR151kR71.8kR6510R35.1kR8560D1R420kR5100k+C447u12J2CON2圖 2-14 峰值檢波原理圖電路原理：本電路利用二極管的單向?qū)щ娦?，從輸入調(diào)幅波中檢出原來的低頻調(diào)制信號。輸入端加一運算放大器，目的是為了提高由調(diào)幅部分送來的正常

26、調(diào)幅波的幅度，以滿足大信號峰值檢波的要求。它是由信號源、運放、二極管和低通濾波器串聯(lián)組成，電路有兩個作LR CLR C用，一是作為檢波器的負(fù)載，在其兩端輸出調(diào)制信號電壓；二是起到載波濾波作用。當(dāng)輸入信號較大（大于 0.5V）時，檢波器即可工作于大信號峰值包絡(luò)檢波狀態(tài)。在高頻信號電壓的正半周時，二極管正向?qū)ú﹄娙萜?C 充電，由于二極管的正向?qū)娮韬苄?，所以充電電?很di大，使電容器上的電壓很快就接近高頻電壓的峰值。這個電壓建立后cU通過信號源電路，又反向地加到二極管 D 的兩端。這時二極管導(dǎo)通與否，由電容器 C 上的電壓和輸入信號電壓共同決定。當(dāng)高頻信號的瞬時cUiU值小于時，二極管處

27、于反向偏置，管子截止，電容器就會通過負(fù)載電cU阻 R 放電。由于放電時間常數(shù) RC 遠(yuǎn)大于調(diào)頻電壓的周期，故放電很慢。當(dāng)電容器上的電壓下降不多時，調(diào)頻信號第二個正半周的電壓又超過二16極管上的負(fù)壓，使二極管又導(dǎo)通。在導(dǎo)通時間內(nèi)又對電容器充電，電容器的電壓又迅速接近第二個高頻電壓的最大值。當(dāng)二極管又截止時，電容器又通過負(fù)載電阻 R 放電，不斷地循環(huán)反復(fù)以上過程，因此只要充電很快，即充電時間常數(shù)C 很?。槎O管導(dǎo)通時的內(nèi)阻） ；而放dRdR電時間常數(shù)足夠慢，即放電時間常數(shù) RC 很大，滿足C RC,就可dR使輸出電壓的幅度接近于輸入電壓的幅度,即傳輸系數(shù)接近 1。另外，cViV由于正向?qū)щ姇r間很

28、短，放電時間常數(shù)又遠(yuǎn)大于高頻電壓周期（放電時的基本不變） ，所以輸出電壓的起伏是很小的，可看成與高頻調(diào)幅波cVcV包絡(luò)基本一致。而高頻調(diào)幅波的包絡(luò)又與原調(diào)制信號的形狀相同，故輸出電壓就是原來的調(diào)制信號，最后接電位器和固定電阻，是為了增大cV電路的負(fù)載，而檢波器總是通過大容量的耦合電容與其他電路相接。圖 2-15 信號源17圖 2-16 檢波器輸入、輸出波形根據(jù)示波器的仿真示意圖，可以看出輸入、輸出信號的波形基本一致，可以很好的回復(fù)解調(diào)信號。三、系統(tǒng)電路詳解三、系統(tǒng)電路詳解（一）器件介紹（一）器件介紹1 1、單片機(jī)、單片機(jī) AT89C52AT89C52AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMO

29、S 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。AT89C52 有 40 個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出18（I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口，3 個 16 位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2 個讀寫口線。圖 3-1 AT89C52 引腳示意圖表 3-1 AT89C52

30、 引腳說明表名 稱功 能Vcc接+5V 電源正端Vss接+5V 電源地端XTAL1接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，構(gòu)成片內(nèi)振蕩器。XTAL2接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是片內(nèi)振蕩器的輸出端?？?P統(tǒng)稱為口。作為雙向口。0.0P0.7P0PIO口1P統(tǒng)稱為口。作為雙向口。1.0P1.7P1PIO口2P統(tǒng)稱為口。作為雙向口。2.0P2.7P2PIORXD串行口輸入端TXD串行口輸出端0INT外部中斷 0 請求輸入端，低電平有效1INT外部中斷 1 請求輸入端，低電平有效19T0定時器/計數(shù)器 0 計數(shù)脈沖輸入端T1定時器/計數(shù)器 1 計數(shù)脈沖輸入端WR外部

31、數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效ALE/ PROG地址鎖存有效信號輸出端PSEN片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效RST上電復(fù)位或掉電保護(hù)端/ EAPPV為片外程序存儲器選用端。低電平時，只選用片外程序存儲EA器，否則選用片內(nèi)存儲器。2 2、濾波器芯片、濾波器芯片 MAX262MAX262MAX262 芯片是 Maxim 公司推出的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器,可通過微處理器精確控制濾波器的傳遞函數(shù)（包括設(shè)置中心頻率、品質(zhì)因數(shù)和工作方式）。它采用 CMOS 工藝制造,在不需外部元件的情況MAX262 引腳就可以構(gòu)成各種帶通、低通、高通

32、、帶阻和全通濾波器。圖 3-2 MAX262 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖20圖 3-3 MAX262 引腳示意圖表 3-2 MAX262 引腳說明表名 稱功 能V+正電源電壓端V-負(fù)電源電壓端GND模擬地。對雙電源工作接到系統(tǒng)地，對單電源工作接到電源電12壓。在單電源應(yīng)用中，GND 應(yīng)很好地接旁路。ACLK濾波器 A 的振蕩器輸入及時鐘輸入端，這個時鐘在內(nèi)部被二分頻。BCLK濾波器 B 的振蕩器輸入及時鐘輸入端，這個時鐘在內(nèi)部被二分頻。CLK OUT晶體和 RC 振蕩器工作的時鐘輸出端OSC OUT振蕩器輸出端。自時鐘工作時，連接到晶體。INA，INB濾波器輸入端BPA，BPB帶通輸出端LPA，LPB低通輸出

33、端HPA，HPB高通/陷波/全通輸出端_WR寫允許輸入端A0,A1,A2,A3和 Q 輸入數(shù)據(jù)單元的地址輸入端0f21，0D1D和 Q 編程數(shù)據(jù)輸入端0fOPOUT自由運算放大器輸出端OPIN自由運算放大器輸入端3 3、固定放大器、固定放大器 PGA103PGA103PGA103 是增益可控的放大器，通過兩個 CMOS/TTL 開關(guān)可選擇不同的增益值（1，10，100） 。圖 3-4 PGA103 引腳示意圖表 3-3 PGA103 引腳說明表名 稱功 能VIN信號輸入端VOUT信號輸出端A1放大倍數(shù)控制端A0放大倍數(shù)控制端A1=0,A0=0放大倍數(shù)為 1A1=0,A0=1放大倍數(shù)為 10A1

34、=1,A0=1放大倍數(shù)為 100V+電源正端(MIN+4.5，TYP=+15,MAX=+18)22V-電源負(fù)端(MIN-4.5，TYP=-15,MAX=-18)GND接地端4 4、AD7520AD7520AD7520 是一種廉價型的 10 位 D/A 轉(zhuǎn)換芯片,其輸出Vout=DnVref/210,其中 Dn 為 10 位數(shù)字量輸入的二進(jìn)制值,可滿足=1024 擋增益調(diào)節(jié),滿足題目的精度要求。它由 CMOS 電流開關(guān)和梯形102電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,具有結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線簡化等特點。圖 3-5 AD7520 引腳示意圖表 3-4 AD7520 引腳說明表名 稱功 能1out

35、l信號輸出端2outl虛擬地端GND數(shù)字地端MSB信號和數(shù)字位LSB信號和數(shù)字位23BIT2BIT9數(shù)字位V+電源（+5v+15v）REFV參考電壓輸入端RFEEDBACK反饋電阻（二）功能電路圖（二）功能電路圖1 1、程控放大電路、程控放大電路GND3A01A12V IN4VOUT7NC5-V6+V8U6CON9GND3A01A12V IN4VOUT7NC5-V6+V8U7CON912J2CON2GNDVCCVCCGNDGNDGNDVdd14Iout11MSB-14BIT-25Iout22BIT-36BIT-47BIT-58Rfb16BIT-69BIT-710BIT-811VrefIN15B

36、IT-912LSB-1013U5AD7520GND3A01A12V IN4VOUT7NC5-V6+V8U4PGA103GND1234567891011121314151617181920212223242526JP1HEADER 13X2C5CAP+12-12+12-12BPa1opiut2hp3opin4ina5d16a37clkout8v+9a210clka11clkb12a113a014wr15v-16gnd17oscout18d019hpb20bpb21lpb22inb23lpa24U1MAX262X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9VEE7

37、X3U2+12 -12GNDVCC-5Y1CRYSTALBIT0BIT1BIT2BIT3BIT4BIT5BIT6BIT7BIT0BIT1BIT2BIT3BIT4BIT5BIT6BIT7GNDX013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9VEE7X3U3IPBIPBBPBBPBHPBHPBA0A1A2A3B0B1KONG1KONG2KONG1KONG2KONG3KONG4KONG3KONG4-5VWRWRA0A1A2A3B0B1+12V-12VVCCGND+12V+12V+12V-12V-12V-12V+12+12VGNDGNDGNDGNDGND12J1CON2

38、GNDGNDVCC-5VC3104pFC4104pF+C110uF+C210uFVCCGNDVCCGNDGNDGND圖 3-6 程控放大電路原理圖電路原理：本電路由三個模塊組成，分別是前級放大，后級放大，濾波控制。前級放大主要是由兩個 PGA103 規(guī)定放大器組成，前兩個放大器級聯(lián)，輸出信號送入 AD7520 的參考電壓端，為了易于實現(xiàn)最大 60dB 增益的調(diào)節(jié),我采用 D/A 芯片 AD7520 的電阻權(quán)網(wǎng)絡(luò)改變反饋電壓進(jìn)而控制電路增益。AD7520 是一種 10 位 D/A 轉(zhuǎn)換芯片,其輸出 Vout=DnVref/210,其24中 Dn 為 10 位數(shù)字量輸入的二進(jìn)制值,可滿足=1024

39、 擋增益調(diào)節(jié),精度102滿足要求。但由于 AD7520 對輸入?yún)⒖茧妷?Vref 有一定幅度要求,為使輸入信號在 mVV 每一數(shù)量級都有較精確的增益,最好使信號在到達(dá)AD7520 前經(jīng)過一個適應(yīng)性的幅度放大調(diào)整,再通過 AD7520 衰減后進(jìn)行相應(yīng)的后級放大,并使前后級增益積為 1024,與 AD7520 的衰減分母抵消,即可實現(xiàn)程控放大。鑒于此，故在 AD7520 輸出端接入了一個 PGA103，用于后級放大，經(jīng)放大的信號輸入濾波器芯片 MAX262，由兩個 4051(3-8譯碼器)對 MAX262 輸出的濾波器種類進(jìn)行控制。U2 控制、ALP、，U3 控制、。ABPAHPBLPBBPBHP

40、而對 4051、MAX262 的控制則由單片機(jī) AT89C52 單元模塊電路控制。2 2、程控濾波電路、程控濾波電路25EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1INDUCTOR1OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q1

41、65Q156Q147Q138Q12U2INDUCTOR1OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12U3INDUCTOR112345678J3CON8123456J2CON6123U4A74LS00EGNDGNDP20P21P22P23P24P25P20P21ER/WRSVCCGNDR1RESISTOR TAPPEDP00P01P02P03P04P05P06P07P00P01P02P03P04P05P06P07RSR/W1234567891011121314151617181920212223242526JP1HE

42、ADER 13X2VCCY112MC530pFC730pFGND+C622uFR310KS1SW-PBVCCGNDVCCGNDC1104pFC2104pF+C310uF+C410uFVCCGNDVCCGNDD1LEDR2300GNDT0T1RXDTXDT0T1RXDTXDVCCGND+12V-12V-5V123456J1CON6-5-5V VCCGND123456J4CON6+12V-12VGNDGND-12V+12VQW0QW1QW2QW3QW4QW5QW6QW7QW0QW1QW2QW3QW4QW5QW6QW7QQ0QQ1QQ2QQ3QQ4QQ5QQ6QQ7QQ0QQ1QQ2QQ3QQ4QQ

43、5QQ6QQ712345678J6CON8P00P01P02P03P04P05P06P07C9104pFC8104pF+C1010uF+C1110uFVCCVCCGNDGNDP22123456789J5CON9圖 3-7 程控濾波電路原理圖電路原理：本模塊是本次設(shè)計的核心部分，是整個電路的控制部分，單片機(jī)采用了 AT89C52，外接兩個 74HC573 鎖存器，P1 口作為輸入口，P0、P2 口作為輸出口，接入兩個鎖存器，經(jīng)過延時后，與程控放大電路相連，組成完整的系統(tǒng)電路。單片機(jī) X1、X2 外接石英晶體，構(gòu)成片內(nèi)振蕩器，為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時鐘頻率，接高電平，選用片內(nèi)程序存儲器，通過 74LS

44、00 選_/PEA V通片外數(shù)據(jù)存儲器。P0 口輸出的數(shù)據(jù)分別送入兩個 74HC 573 鎖存器，待時鐘頻率一致后，輸出數(shù)據(jù)分別控制 AD7520 的放大增益值和濾波器26芯片 MAX262 的和 Q 輸入數(shù)據(jù)單元和編程數(shù)據(jù)單元。0f單片機(jī)的 T0、T1 口對譯碼器 1（U2）進(jìn)行控制，從而間接對濾波器芯片 MAX262 選擇濾波器的種類進(jìn)行控制，分別為、。 RXDALPABPAHP和 TXD 口對譯碼器 2（U3）進(jìn)行控制，MAX262 選通濾波器分別為、BLP、。BBPBHP3 3、系統(tǒng)總機(jī)電路、系統(tǒng)總機(jī)電路EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113

45、T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1INDUCTOR1OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12U2INDUCTOR1OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12U3INDUCTOR1

46、12345678J3CON8123456J2CON6123U4A74LS00EGNDGNDP20P21P22P23P24P25P20P21ER/WRSVCCGNDR1RESISTOR TAPPEDP00P01P02P03P04P05P06P07P00P01P02P03P04P05P06P07RSR/W1234567891011121314151617181920212223242526JP1HEADER 13X2VCCY112MC530pFC730pFGND+C622uFR310KS1SW-PBVCCGNDVCCGNDC1104pFC2104pF+C310uF+C410uFVCCGNDVCCG

47、NDD1LEDR2300GNDT0T1RXDTXDT0T1RXDTXDVCCGND+12V-12V-5V123456J1CON6-5-5V VCCGND123456J4CON6+12V-12VGNDGND-12V+12VQW0QW1QW2QW3QW4QW5QW6QW7QW0QW1QW2QW3QW4QW5QW6QW7QQ0QQ1QQ2QQ3QQ4QQ5QQ6QQ7QQ0QQ1QQ2QQ3QQ4QQ5QQ6QQ712345678J6CON8P00P01P02P03P04P05P06P07C9104pFC8104pF+C1010uF+C1110uFVCCVCCGNDGNDP22123456789J5

48、CON9GND3A01A12V IN4VOUT7NC5-V6+V8U6CON9GND3A01A12V IN4VOUT7NC5-V6+V8U7CON912J2CON2GNDVCCVCCGNDGNDGNDVdd14Iout11MSB-14BIT-25Iout22BIT-36BIT-47BIT-58Rfb16BIT-69BIT-710BIT-811VrefIN15BIT-912LSB-1013U5AD7520GND3A01A12V IN4VOUT7NC5-V6+V8U4PGA103GND1234567891011121314151617181920212223242526JP1HEADER 13X2

49、C5CAP+12-12+12-12BPa1opiut2hp3opin4ina5d16a37clkout8v+9a210clka11clkb12a113a014wr15v-16gnd17oscout18d019hpb20bpb21lpb22inb23lpa24U1MAX262X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9VEE7X3U2+12 -12GNDVCC-5Y1CRYSTALBIT0BIT1BIT2BIT3BIT4BIT5BIT6BIT7BIT0BIT1BIT2BIT3BIT4BIT5BIT6BIT7GNDX013X114X215X312X41X55X6

50、2X74INH6A11B10C9VEE7X3U3IPBIPBBPBBPBHPBHPBA0A1A2A3B0B1KONG1KONG2KONG1KONG2KONG3KONG4KONG3KONG4-5VWRWRA0A1A2A3B0B1+12V-12VVCCGND+12V+12V+12V-12V-12V-12V+12+12VGNDGNDGNDGNDGND12J1CON2GNDGNDVCC-5VC3104pFC4104pF+C110uF+C210uFVCCGNDVCCGNDGNDGND圖 3-8 總機(jī)電路原理圖27圖 3-9 總機(jī)電路的 PCB 板圖總體電路原理：總機(jī)電路如圖 38 所示，輸入信號先通過兩

51、塊 PGA103 固定放大器，經(jīng)放大的信號輸入 AD7520 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的信號通過一個 26口的接頭與單片機(jī) AT89C52 口相連，而單片機(jī)口的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過Io0P0P兩個 573 鎖存器進(jìn)行鎖存后，一個用于控制 AD7520 的放大增益，一個用于控制 MAX262 截至頻率和品質(zhì)因素數(shù)據(jù)和程序輸入。而對于 MAX262 來說，外接兩個 38 譯碼器是為了選擇濾波器的輸出種類，因為 MAX262 可以輸出低通、高通、帶通、帶阻以及全通濾波器，第一個譯碼器的 X0，X1，X2 口與 MAX262 的、口相ALPABPAHP連，而譯碼器的控制口 A、B、C 則與單片機(jī) P3 口相接，由單片

52、機(jī)控制其輸出，其中 C 口接地，選擇三個輸出，只需兩個控制端口就可以實現(xiàn)了；第二個譯碼器的 X0，X1，X2 口與 MAX262 的、口相連，BLPBBPBHP28同樣由單片機(jī)控制其輸出。由單片機(jī)的定時器/計數(shù)器 0 和定時器/計數(shù)器 1 控制第一個譯碼器選擇 MAX262 輸出、或濾波器，由單片ALPABPAHP機(jī)的 RXD 和 TXD 串行輸入輸出端口控制另一個譯碼器選擇 MAX262 輸出、或濾波器。濾波器芯片 MAX262 寫允許輸入端由單片機(jī)BLPBBPBHPP2.2 口控制，一般情況下為低電平有效。MAX262 的、外_WRACLKBCLK接一石英晶體，與振蕩器輸出端相連，構(gòu)成振蕩

53、器。對于單片機(jī) AT89C52 來說，XTAL1 與 XTAL2 外接一 12M 的石英晶體，共同構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器，接電源，目的是選用片內(nèi)程序存儲器；_/PPEA VRET 外接開關(guān)，用于單片機(jī)復(fù)位；外部數(shù)據(jù)存儲器的讀、寫端外接74LS00 二輸入與非門，低電平有效，而系統(tǒng)并沒有擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器，所以、為高電平，經(jīng) 74LS00 輸出為低電平。_RD_WR單片機(jī)的 P2.0 與 P2.1 口分別用于啟動兩個 573 鎖存器。（三）系統(tǒng)測試及其結(jié)果（三）系統(tǒng)測試及其結(jié)果1 1、放大器測試及其結(jié)果、放大器測試及其結(jié)果（1）放大器增益在 060dB 按 10dB 增益步進(jìn)，用精密數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器

54、產(chǎn)生一個峰值 10mV 的正弦信號，經(jīng)過放大器放大后，用數(shù)字電壓計測量輸出的電壓峰值，則輸出與輸入電壓之比就為實際增益，測試如下：。表 3-1放大器增益指標(biāo)測試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)增益（dB）0102030405060輸入電壓（mV）1030628100100202020輸出電壓（V）1.031.961.013.082.026.3220.6實際增益（dB）09.8820.0829.7740.0949.9960.2629從結(jié)果可以看出，實際增益的偏差在題目允許的范圍之內(nèi)。（2）函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一幅值為 1V 的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，放大器設(shè)置在10dB，數(shù)字電壓計記錄數(shù)據(jù)，示波器監(jiān)視波形，測試結(jié)果如下：表 3-2

55、放大器通頻帶測試數(shù)據(jù)頻率值（Hz）1001K10K20K30K40K輸出幅值（V）3.163.153.052.952.902.88從測試結(jié)果可以看出，當(dāng)頻率從 100Hz 到 40KHz 時，幅值僅衰減到原來的 91.1%，完全滿足通頻帶為 100Hz40KHz，放大器輸出電壓無明顯失真的指標(biāo)。2 2、低通濾波器測試及其結(jié)果、低通濾波器測試及其結(jié)果輸入一個幅值為 2V 的正弦信號，通過改變輸入信號的頻率，使其輸出信號幅值衰減到通帶內(nèi)幅值的 0.707 倍，記錄下此時的頻率，該頻率就是該設(shè)置點的截止頻率。測試結(jié)果如下表所示：表 3-3四階低通濾波器性能測試數(shù)據(jù)低通濾波器截止頻率fc（KHz）實測

56、截止頻率（KHz）fc 處幅值（V）2fc 處幅值（mV）10.961.41144.9921.991.41154.0032.961.41140.8843.951.41139.3054.911.41138.9065.931.41143.6876.881.41140.5487.821.41138.3398.801.41137.26109.811.41138.871110.821.41140.30301211.851.41143.171312.741.41140.601413.751.41141.561514.701.41136.891615.791.41140.201716.711.41138.7

57、31817.771.41140.181918.541.41133.222019.481.41134.12由于采用雙電位器并聯(lián)，程控電阻能最大限度地滿足電路的需要。這使得最終結(jié)果較為精確，遠(yuǎn)高于題目中“誤差小于 10%”的指標(biāo)。3 3、橢圓濾波器測試及其結(jié)果、橢圓濾波器測試及其結(jié)果輸入一個振幅值為 10mV 的正弦信號，放大器設(shè)置在 60dB，放大器在 0250K 范圍內(nèi)按 32 個具有代表性的頻點來改變其頻率，經(jīng)橢圓濾波器輸出后用數(shù)字電壓計測量輸出信號的電壓峰值，以此觀察橢圓濾波器的濾波特性。測試結(jié)果如下：表 3-4橢圓濾波器性能測試數(shù)據(jù)頻 率（KHz）輸出電壓幅值（V）頻 率（KHz）輸出電

58、壓幅值（V）2008.9234009.634008.9536009.406009.0038009.188009.0740009.0010009.1642008.9012009.2644008.9814009.3846009.3216009.5148009.8918009.6550008.5520009.7852004.2022009.8856000.0824009.9660000.82260010.00100000.0428009.98150000.5330009.91200000.743132009.80250000.83從結(jié)果可以看出，在通頻帶內(nèi)，輸出電壓幅值變化1dB B(11%)，幅值

59、-3dB 發(fā)生在頻率約 50.8KHz 處, 其誤差在題目允許的5%范圍之內(nèi)，200KHz 處總電壓僅 0.74V,遠(yuǎn)小于總電壓增益 5 dB(1.78V)的要求。4 4、幅頻特性測試及其結(jié)果、幅頻特性測試及其結(jié)果掃頻產(chǎn)生的信號的頻率變化范圍是 100Hz200KHz，頻率步進(jìn)可任意設(shè)定，可對上述濾波器進(jìn)行掃頻測試，也可對無源 RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃頻測試，其輸出波形可直接在 LCD 上或 CRT 示波器顯示。5 5、誤差分析、誤差分析（1）容阻器件參數(shù)誤差；（2） 模擬開關(guān)體電阻等；（3）測試儀表產(chǎn)生的誤差；（4）電源紋波和電磁干擾；（5）溫度漂移等。四、軟件設(shè)計四、軟件設(shè)計（一）系統(tǒng)軟

60、件設(shè)計與實現(xiàn)（一）系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)本系統(tǒng)程序是以 51 系列 Keil C 語言編寫實現(xiàn)的，程序的編寫與調(diào)試是在 Keil_c51_v802 和 Protues6.9 兩個 EDA 工具軟件上實現(xiàn)的，Keil_c51_v802 主要是用來編寫與編譯 C 程序，而 Protues6.9 則是用來仿真系統(tǒng)功能。32系統(tǒng)初始化按鍵中斷增益模式高 通增益設(shè) 置增益加增益減低 通截至頻率設(shè)置截至頻率 加截至頻率設(shè)置截至頻率 加截至頻率 減中斷返回截至頻率 減 開 始鍵值判斷濾波器模式圖 4-1 主程序流程圖（二）系統(tǒng)程序的編譯與仿真（二）系統(tǒng)程序的編譯與仿真程序是利用 51 系列 Keil C 語言編