程控滤波器.doc

题目名称：程控滤波器摘要：介绍一种利用PICF73单片机结合数字电位器X9313WP、键盘扫描及继电器控制，从而实现程控增益放大器（40dB，步进10dB）以及高通、低通程控滤波器(-3dB截止频率fc在1kHz25kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz)的设计。该程控增益放大器及滤波器，为如何实现数字化控制提供良好的借鉴作用。关键词：滤波器；数字电位器X9313WP;PIC16F73目录1.系统设计31.1设计要求31.1.1任务31.1.2基本要求31.1.3发挥部分31.2 方案论证31.2.1滤波器模块31.2.2 放大电路模块41.3系统设计框图42.单元模块设计42.1放大电路的设计42.1.1电路原理图42.1.2工作原理42.1.3参数选择52.2低通滤波器的设计52.2.1电路原理图52.2.2工作原理52.2.3参数选择62.3高通滤波器的设计62.3.1电路原理图62.3.2工作原理72.3.3参数选择73.软件设计73.1.软件开发平台、开发工具73.2程序流程图74.系统测试84.1 放大电路电压增益的测量：84.2滤波电路的测量85.结论96.参考文献97.附录107.1仪器设备107.2器件明细表107.3电路原理图107.4 PCB设计图111.系统设计1.1设计要求1.1.1任务设计并制作一个程控放大滤波器，其组成如图1所示。图中放大器增益可设置；低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。图1 程控放大滤波器组成框图1.1.2基本要求（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100Hz50kHz，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1kHz25kHz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）电压增益与截止频率的误差均不大于10%。（4）有设置参数显示功能。1.1.3发挥部分（1）放大器电压增益为60dB，输入信号电压振幅为10mV；增益10dB步进可调，电压增益误差不大于5%。（2）滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz25kHz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40dB, 截止频率设置误差不大于5%,RL=1kW。（3）制作一个简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号的频率变化范围是100Hz200kHz，频率步进1kHz。（4）用自制简易幅频特性测试仪自动测量放大器通频带（放大器设置在适当增益档）、低通滤波器和高通滤波器的截止频率fc，并显示测试数据。（5）其他。1.2 方案论证1.2.1滤波器模块方案一：采用由运放和RC元件组成放入压控二阶有源滤波器，通过控制继电器的工作状态选取不同的阻容值来实现截止频率的改变。X9312为8位数字电位器, 内部包含了99个电阻单元阵列，其模拟开关由7位二进制数字信号来控制,利用脉冲可调节其电阻值 ，便于单片机控制，以满足频率动态范围较宽的信号进行滤波。方案二：采用数字滤波器，具有精度高，截止特性好等优点。利用MATLAB设计软件设计FIR滤波器，但是会占用太多的FPGA资源，要使截止频率可调，必须使用不同的参数，设计软件量比较大。因此选择方案一。1.2.2 放大电路模块方案一：LF353为两运算放大器,他具有低功耗高速等特点，它的工作电压为18V+18V，最主要的特点是它的带宽增益可达4MHz，基于以上的优点LF353可满足设计要求。方案二：使用数字电位器和普通运放组成放大电路，通过控制数字电位器来改变放大器的反馈电阻实现可变增益。这种方案硬件实现较简单，但限于数字电位器的精度较低，档位有限.很难实现增益的精确控制。因此选择方案一。1.3系统设计框图系统设计如图2所示，单片机通过判断有无按键，从而控制放大器模块的放大倍数和滤波器类型的选择及截止频率，系统采用数字电位器X9312，通过改变其阻值，从而改变滤波器的截止频率。同时，本设计还设有显示模块，用于显示按键设定的放大倍数、滤波器的类型及截止频率。 图2 系统框架图2.单元模块设计2.1放大电路的设计2.1.1电路原理图 图3 放大电路原理图2.1.2工作原理放大增益为40dB、10dB步进。由20lg|Au|计算出设计所要求的电压放大倍数分别为3.16，10,31.6,100,316,1000.可将放大电路分为三阶，电路原理如图所示。输入信号先经过电压跟随器，再经过三阶放大电路，第一阶放大为3.16或10倍，第二阶放大为1或10倍，第三阶放大也为1或10倍，第一级放大电路的输出电压为 V1=-或V1=-调整RW9或RW19的电阻值就可得=3.16或10，相应的第二阶与第三阶都可调节出1或10的电压放大倍数。每一阶放大倍数转换由继电器来切换。当输入信号为40KHZ且放大倍数为10时，要求运放的带宽增益积为4MHZ，所以选用运算放大器LF353，C15起隔直的作用。2.1.3参数选择1、设计中采用反相放大电路，当继电器工作在常闭状态时，其放大倍数为，取的电位器，将调到100K时，放大值为10，即增益为20dB。当继电器工作在常开状态时其放大倍数为。取的电位器，将调到31.6K时，放大值为3.16, 即增益为10dB。2、选用芯片LF353做为放大器。LF353的带宽带宽增益积为4MHz，因为带宽增益积=放大倍数*通带带宽根据设计要求，通带带宽为50kHz100kHz,最大增益60dB，即最大放大倍数为1000倍，则：实际电路增益带宽积=1000*（100Hz50kHz）=(100KHz50MHz)其最大值超出LF353的带宽增益积，当电路的放大倍数为10dB和20dB时，其带宽增益积为316Hz500kHz，小于LF353的带宽带宽增益积。因此，使每级放大电路的电压增益分为10和20dB，通过三级的串联，就可实现最大增益为60dB，且可按步进10dB调节，因此采用三级放大的形式。2.2低通滤波器的设计2.2.1电路原理图图4 二阶低通滤波电路2.2.2工作原理二阶低通滤波电路原理图如图3所示。输入电压Ui经过两级RC低通电路后，再接到集成运放的同相输入端。因此，在高频段，对数幅频特性将以-40dB十倍频的速度下降，使滤波特性比较接近于理想情况。电路中第一级的电容不接地而改接到输出端，这种接法相当于在二阶有源滤波电路中引了一个反馈，其目的是为了使输出电压在高频段迅速下降，但在接近于通带截止频率的范围内又不致下降太多，从而有得改善滤波特性。设C1=C2=C,R1=R2=R,则其中心频率为， 令截止频率等于中心频率，通过改变R和C，就可以改变截止频率2.2.3参数选择1二阶有源低通滤波器传输函数：Au= 其中 =1+为通带放大倍数， 为品质因数。当取时，根据设计要求电压增益为-3dB，则有 由式3解得,又由得。因此根据式 =1+选择R6=39K,Rf=22.85K(因没有22.85K的电阻，因此采用20K的电阻和5K电位器串联)。当时,将此关系带入公式3，则有：=24.6dB所以总增益为:，满足设计要求中在处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。2设计中R1和R2由两个数字电位器X9312构成，通过单片机输入不同的值就可改变它们的阻值，又因X9312的阻值变化不呈线性变化，而是以步进为100的阻值变化，而设计要求频率需按1kHz的步进从10050kHz变化，有些频率无法刚刚好达到，因此电路中设有两个电容，通过电容切换，最终实现所有的频率都能达到，以满足设计要求。本设计中X9312为10K,电容分别取222和102。2.3高通滤波器的设计2.3.1电路原理图图4 二阶低通滤波电路2.3.2工作原理二阶高通滤波电路如图5所示。二阶高通电路同样与低通电路一样，也引入了正负反馈，提高了电路的滤波特性。而且其也是通过改变电路中R和C的阻值来改变电路的截止频率。2.3.3参数选择1.取R1=R2=R，C1=C2=C，则有。2.二阶有源高通滤波器传输函数的通式Au=（4）其中 =1+为通带放大倍数，为品质因数。当取时，根据设计要求电压增益为-3dB，则有（5）同于低通二阶滤波解得有, 。因此选择R9=39K,Rf=22.85K当时,将其带入公式5解得电压增益为24.6dB，所以总增益为:，满足设计要求中在处放大器与滤波器的总电压增益不大于40dB。3.软件设计3.1.软件开发平台、开发工具本系统所使用的单片机为PIC16F877A，采用的软件开发平台为MPLAB IDE v8.70，开发工具为MPLAB ICD2。同时我们还利用PIC单片机专用在线调试工具MPLAB PIK3，把程序烧写如PIC16F877A芯片中，使得软件与硬件结合起来，使用方便。3.2程序流程图主流程图如以下所示：图6 主流程图4.系统测试4.1 放大电路电压增益的测量：从放大器的输入端输入不同频率正弦波，用双踪示波器观察放大器的输入输出信号，测量它的振幅，记录于表一，并计算它的增益及增益误差。表一 放大电路增益测量f(KHz)f(KHz)输入信号振幅A0（mv）放大电路输出端A1（mv）T0=20*log|A1/A0| (dB)放大电路增益设置 T1（dB ）增益误差 N=(|T1-T0|/T0)*100% 0.20.210319.827234101.7580340.50.51010120.08643200.430278551031029.82723300.57922310101084038.48559403.935017303010256048.1648503.810253404010700056.90196605.444521测试结果： 放大器增益与按键设置的增益有一定的误差，但是基本小于5%，除放大增益为60dB时，原因可能是器件本身参数存在误差。4.2滤波电路的测量从滤波器的输入端输入不同频率的正弦波，用双踪示波器分别观察高低通的输出信号，测量它的振幅，记录于表中，并计算它的增益。表二 低通滤波电路性能测量（放大器增益为30dB）fc(KHz)低通滤波器输入信号振幅A0（mv）低通滤波输出信号幅度A1（mv）T2=20*log|A1/A0| (dB)2928720-2.20430959612936672-2.87813151415936672-2.87813151420936640-3.301917495表三 2fc处放大器与低通滤波电路的总增益测量（放大器增益为30dB）2fc(KHz)放大器输入信号振幅A0（mv）低通滤波输出信号幅度A1（mv）T4=20*log|A1/A0| (dB)42047227.45824006242026022.27886705302023821.51093923402022020.8278537表四 截止频率的测量（放大器增益为30dB）截止频率设值fc(KHz)低通截止频率测量值fc1(KHz)低通截止频率误差（%）22.1457.251212.816.751515.6764.5066672019.8950.525测试结果： 由以上表可知，设计基本能达到设计要求，但是还存在一定的误差。电路的误差主要是由于滤波电容本身存在很大的误差，且还会漂移，使得实际测量值与理论计算值不完全符合。5.结论本设计所能达到的指标为：1、 放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为40dB，增益10 dB步进可调，放大器输出无明显失真。2、 滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fC在1KHz25KHz范围内可调，步进为1KHz，2fc处放大器与低通滤波电路的总增益不大于30dB，RL=1K。3、 滤波器可设置为高低通滤波器，其-3dB截止频率fC在1KHz20KHz范围内可调，步进为1KHz，0.5fc处放大器与低通滤波电路的总增益不大于40dB，RL=1K。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。所以本设计基本上能够满足所需的要求。6.参考文献 1 清华大学电子学教研组编，杨素行主编模拟电子技术基础简明教程(第二版)M北京：高等教育出版社，19982 清华大学电子学教研组编，余孟尝主编数字电子技术基础简明教程(第二版)M北京：高等教育出版社，19983 张华林，周小方编著电子设计竞赛实训教程北京：北京航空航天大学出版社，2007，4 李荣正，刘启中，陈学军编著PIC单片机原理及应用（第2版）北京：北京航空航天大学出版社，2005，105 全国大学生电子设计竞赛组委会编全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届第五届）北京：北京理工大学出版社，2004，87.附录