D程控滤波器设计

1、程控滤波器的设计（D题）摘 要:随着电子科学技术的迅速发展，滤波器系统也要求有新的设计思想和观点，使系统能在可行的条件下得以实现，而且其功能也达到更高的指标。本系统以51单片机为控制核心，由信号放大模块、有源滤波模块以及测试信号发生等四个模块组成。在前级放大器中采用NE5532放大芯片构成的两极放大电路；有源滤波采用模拟开关CD4051/CD4052选择匹配的电阻和电容网络；信号发生采用数字频率合成（DDS） AD9850芯片产生；单片机键盘显示处理模块除可以对AD9850进行实时控制外，还可以对模拟开关CD4051/CD4052的控制。 关键词：AD9850 AT89S52 CD4

2、051/CD4052 LCD 显示屏 直接数字频率合成（DDS）1总体设计方案1. 1系统总体设计思路根据题目的要求，我们认真取舍，充分利用了模拟和数字的优点，发挥其优势，采用单片机控制模拟开关的导通与否以实现电容及电阻参数的匹配，从而实现改变放大器增益的方法，并且以增益10dB步进可调，大大提高了系统的精度；放大器的输出电压要求无明显失真。本系统的总体框图如图1所示。图1 总体框图1. 2方案论证与比较（1）测量放大部分方案方案一：直接采用高精度OP放大器接成的悬置电桥差动放大器。如图2，此方案的特点是电路简单，实现起来对结构工艺的要求不高，但是其输入阻抗低、共模抑制比、失调电压和失调电流等

3、参数受到放大器本身性能限制不易进一步提高，且无法抑制放大器本身的温漂。 图2 悬置电桥差动放大器 图3 结型场效应管输入型测量放大电路方案二：在方案一的基础上，在输入级加设结型场效应管。如图3，该方案和方案一相比提高了输入阻抗和降低噪声，但存在的共模抑制比、失调电压和失调电流等参数受限的问题未能有效解决，且分立元件将导致调试工作复杂，可靠性下降。 方案三：选用高输入阻抗低噪声集成运放NE5534。如图4，选用NE5534，接成两极同相运算放大电路，可大大提高了差模输入阻抗和共模抑制比。NE5534加上的电压，放大倍数的计算公式为本设计选择方案三。图4 集成运放NE5534接成两极同相运算放大电

4、路（2）信号滤波方法方案一 数字滤波法。数字滤波是信号滤波所常的方法,将模拟信号转变为数字信号, 进行数字滤波后再恢复原信号。这种方法理论上可以设计任意的滤波特性，可达到很高的精度，但要涉及较高的技术水平,实现难度较大。方案二：采用单级模拟低通滤波。由运放、电阻、电容组成单级低通滤波器。此方法原理简单，有现成的公式可套，但单级滤波的截止频率较难控制，频率选择性差，滤波效果不好好差，输出波形有较大失真。方案三：采用多级巴特沃兹滤波器模拟低通滤波。巴特沃兹滤波器具有平坦的通带，把多个低通滤波器级联起来，滤波效果显著提高，输出波形失真小。因此选择方案三。（3）显示器的选择 方案一：采用8位段数码管，

5、将单片机得到的数据通过数码管显示出来。该方案简单易行，但所需的元件较多，且不容易进行操作，可读性差，一旦设定后，很难再加入其他的功能。方案二：采用液晶显示系统，将得到的数据通过液晶系统显示。该方案所需液晶器件可由厂家提供，并且可用软件进行调制，对后续的功能兼容性高，只需将软件作修改即可， 可操作性强，也易于读数。但成本相对一来说较高。方案三：将结果通串口接入电脑，在电脑中编制程序，通过软件将数据转化成图形数字界面。该方案在数据的处理上比方案二直观，可增加较多的扩展功能。但不便于携带，可移动性不如方案二。 综上所述，我们采用了第二个方案，即采用液晶显示系统。2 硬件电路设计2.1电源电路设计本方

6、案的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、单电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件。输出电路由+15V稳压供给，从而大大提高了电压调整率和负载调整率等指标。所有的集成稳压器件根据功耗均安装有充分裕量的散热片。如图5所示。图 5 电源电路2.2单片机最小系统电路由MCS51系列的单片机和一些键盘及LCD显示构成了单片机最小系统，以完成单片机控制、显示和人机接口功能。如图6所示。图 6 单片机最小系统电路2.3巴特沃兹滤波电路用通过单片机控制模拟开关CD4051/4052的电阻匹配，设置滤波的截止频率，题目要求能够实现高通和低通的转换，即低通滤波器（高通滤波器）的-3dB截止频率在1kHz20kHz范

7、围内可调，调节的频率步进为1kHz，2处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。低通滤波器的模块电路如图7所示，高通滤波器的模块电路如图8所示。图 7 低通滤波器 图8高通滤波器3.主要电路的参数计算3.1 程控放大部分本设计以NE5532为中心，对输入信号进行前端放大。当输入信号50mV，输出功率可以达到6W以上，带宽可以达到40KHz至几百KHz。电源部分为整个系统提供稳定的15V电压。整个设计简单，元器件均为市场上容易购的产品。放大倍数要求可调，第一级放大20倍，第二级放大100倍。（1） 低通滤波器参数的计算。参数如表1所示。表1 低通滤波器参数K1053.32.5108.337.1

8、46.25109R1（k）11.265.633.722.18511.269.388.047.0411.2610.13R2（k）22.5011.257.435.6322.5018.7416.0714.0622.520.25C1=0.01uFC2=0.002uFC3=1111pFK8.187.5109.288.678.12109.458.958.5R1（k）9.218.4511.2610.459.769.1411.2610.6410.089.57R2（k）17.4116.8822.520.8819.5118.2722.521.2620.1419.13C3=1111pFC4=769.2pFC5=58

9、8.2pF（2） 高通滤波器的参数计算。参数如表2所示。表2高通滤波器的参数K1053.32.5108.337.146.25109R1（k）18.219.116.014.5518.2115.1713.0011.3818.2116.39R2（k）13.916.9554.59033.4813.9111.599.938.6913.9112.52C1=0.01uFC2=0.002uFC3=1111pFK8.187.5109.288.678.12109.458.898.5R1（k）14.8913.6518.2116.9015.7914.7918.2117.2116.3015.48R2（k）11.3810

10、.4313.9112.9112.0611.2913.9113.412.4511.82C3=1111pFC4=769.2pFC5=588.2pF3.2电源参数的计算直流稳压电源，设计要求当单相220V交流供电时，交流电压变化范围为+10%-15%仍正常工作，计算滤波电容值时，应考虑整流二极管，LM317，LM337，7805，7905的最小压降。 （1）输出+15V、-15V时，输出电流至少达到500mA。 在0.01S内电压变化为： 其中，U=18.75V（变压器输出交流电压），0.7V为二极管的压降，为稳压集成器件的最小压降。设计取C=2200，足以满足要求。（2）输出+5V、-5V，设计输

11、出电流可达1A。同理可得：其中，=9.7V（变压器输出交流电压），1.4V为二极管压降。设计取=4400，实际所需要的电流为几百毫安，足以满足要求。（3）同理可证，在电源电压比正常值小15%或大10%时，电路仍满足三端稳压器的最小压降，也没有超出三端稳压器的耐压范围。4.软件程序部分4.1主程序流程图如图9所示图9主程序流程图4.2各个子程序流程图如图10所示 高通子流图 增益设置子流图 低通子流图 增益控制子流图5.系统测试5.1测试仪器表3序号仪器名称型号数量120MHz普通示波器DF43281台2低频信号发生器EE1641B1台3低频毫伏表DF22201台4四位半数字万用表UT70B1台

12、5直流稳压电源WYK-303B2台6单片机开发系统ME5001台5.2 测试结果及分析程控放大测试结果如表4表4输入输出0dB输出10dB输出20dB输出30dB输出40dB输出50dB输出60dB峰峰值10mV11.1mV32.8 mV102 .0mV324.5 mV1.08V3.21V10.86V峰峰值20mV22.5mV65.6 mV209.4 mV653.8 mV2.18 V6.50V22.32V有效值6mV7.2 mV18.4 mV61.3 mV184.6 mV604.2 mV1.85V6.12V有效值10mV10.9 mV32.0 mV99.5 mV314.3 mV995.8 mV

13、3.18V9.97V参考文献（1）MSC-51/96单片及原理及应用孙涵芳徐爱卿北京航天航空大学出版社（2）跟我学用单片机 肖洪兵 胡辉 郭速学 北京航天航空大学出版社（3）MCS-51系列单片机实用接口技术 李华 北京航天航空大学出版社（4）第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京：北京理工大学出版社，2001附录1:整机原理图低通电路原理图：高通电路原理图：附录2:主要的原程序/*P1.0,P1.1,P1.2控制放大器部分的放大倍数。*/*P0口控制低通滤波器的增益调节*/*P2口控制高通滤波器的增益调节*/#include<reg52.h>#include<reg

14、52.h>#include<intrins.h>#include<absacc.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long int sbit k1 = P14; /低通档位控制按纽 sbit k2 = P15; /高通档位控制按钮 sbit k3 = P16; /高通、低通切换按钮 sbit k4 = P33; /放大倍数控制按钮 sbit timea = P30; /增益控制A口 sbit timeb = P31; /增益控制B口 sbit t

15、imec = P32; /增益控制C口 sbit HL_GO = P34; sbit LCD_RS = P35; / sbit LCD_RW = P36; sbit LCD_EN = P37;uchar flage=0,tong=0,sd_freq=0,sd_volt=0, low_pass=0,high_pass=0,receive, i, HL_ZH=0; uchar code table ="ZY: DB" ;uchar code table1="high: K"uchar code table2="low: K" /*延时m毫

16、秒子程序*/void delay(uint m) uchar i; while(m-) for(i=0;i<100;i+) _nop_(); _nop_(); /* 5us 延时子程序*/void delayNOP() _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();/* 检查LCD忙状态 * lcd_busy为1时，忙，等待。 * lcd-busy为0时,闲，可写指令与数据 */ bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; delayNOP(); result =

17、(bit)(P1&0x08); LCD_EN = 0; return(result); /* * 写指令或数据* start=0, 写入命令; start=1, 写入数据*/void lcd_write(bit start, uchar in_data) uchar Hdata,Ldata,funct;while(lcd_busy(); Hdata=(in_data&0xf0)>>4;/取高四位 Ldata=in_data&0x0f; /取低四位 if(start=0) LCD_RS = 0; /写入命令 else LCD_RS = 1; /写入数据LCD_

18、RW = 0; LCD_EN = 0;delayNOP();funct = P0;funct=funct&0xf0;P0 = Hdata|funct; /发送高四位 LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0;delayNOP();funct = P0;funct=funct&0xf0;P0 = Ldata|funct; /发送低四位 LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0;delayNOP();/* LCD初始化设定 */void lcd_init() delay(15); lcd_write(0,0x28); /16*

19、2显示，5*7点阵，4位数据 delay(5); lcd_write(0,0x28); delay(5); lcd_write(0,0x28); delay(5); lcd_write(0,0x0c); /显示开，关光标 delay(5); lcd_write(0,0x06); /移动光标 delay(5); lcd_write(0,0x01); /清除LCD的显示内容 delay(25); /延时/* 设定显示位置 */void lcd_pos(uchar pos) lcd_write(0,pos|0x80); /数据指针=80+地址变量 /*lcd显示子程序*/ void lcd_dis_

20、time(uchar timers) /放大倍数显示子程序 lcd_pos(0x04); /显示地址lcd_write(1,timers+0x30); /送显示的增益的高位lcd_write(1,0x30); /送显示增益的低位0 void lcd_dis_gt(uchar h_pass)/高通频率显示子程序 uchar hhpass,lhpass; lcd_pos(0x0d);/显示地址 hhpass=h_pass/10; /计算频率的十位 lhpass=h_pass%10; /计算频率的个位 lcd_write(1,hhpass+0x30); lcd_write(1,lhpass+0x30

21、);/显示频率值 void lcd_dis_dt(uchar l_pass)/低通频率显示子程序 uchar hlpass,llpass; lcd_pos(0x0d);/显示地址 hlpass=l_pass/10; /计算频率的十位 llpass=l_pass%10; /计算频率的个位 lcd_write(1,hlpass+0x30); lcd_write(1,llpass+0x30);/显示当前频率值void fangda()/控制放大倍数子程序 switch(tong) case 0:timea=0;timeb=0;timec=0;break; /放大倍数为1倍， 即增益为0 DBcase

22、 1:timea=1;timeb=0;timec=0;break; /放大倍数为3.16倍，即增益为10 DBcase 2:timea=0;timeb=1;timec=0;break; /放大倍数为10倍， 即增益为20 DBcase 3:timea=1;timeb=1;timec=0;break; /放大倍数为31.6倍，即增益为30 DBcase 4:timea=0;timeb=0;timec=1;break; /放大倍数为100倍， 即增益为40 DBcase 5:timea=1;timeb=0;timec=1;break; /放大倍数为316倍， 即增益为50 DBcase 6:tim

23、ea=0;timeb=1;timec=1;break; /放大倍数为1000倍，即增益为60 DBdefault:break;lcd_dis_time(tong);/调显示程序flage=0;/清增益设定标志位void funtion_high_pass()/高通频率设置子程序 switch(high_pass) case 0:P2=0x00;break;/设置频率为 1KHZ case 1:P2=0x40;break;/设置频率为 2KHZ case 2:P2=0x80;break;/设置频率为 3KHZ case 3:P2=0xc0;break;/设置频率为 4KHZ case 4:P2=

24、0x09;break;/设置频率为 5KHZ case 5:P2=0x49;break;/设置频率为 6KHZ case 6:P2=0x89;break;/设置频率为 7KHZ case 7:P2=0xc9;break;/设置频率为 8KHZ case 8:P2=0x12;break;/设置频率为 9KHZ case 9:P2=0x52;break;/设置频率为10KHZ case 10:P2=0x92;break;/设置频率为11KHZ case 11:P2=0xd2;break;/设置频率为12KHZ case 12:P2=0x1b;break;/设置频率为13KHZ case 13:P2

25、=0x5b;break;/设置频率为14KHZ case 14:P2=0x9b;break;/设置频率为15KHZ case 15:P2=0xdb;break;/设置频率为16KHZ case 16:P2=0x24;break;/设置频率为17KHZ case 17:P2=0x64;break;/设置频率为18KHZ case 18:P2=0xa4;break;/设置频率为19KHZ case 19:P2=0xe4;break;/设置频率为20KHZ default:break; lcd_dis_gt(high_pass); void funtion_low_pass() switch(low

26、_pass) case 0:P0=0x00;break; /设置频率为 1KHZ case 1:P0=0x40;break; /设置频率为 2KHZ case 2:P0=0x80;break; /设置频率为 3KHZ case 3:P0=0xc0;break; /设置频率为 4KHZ case 4:P0=0x09;break; /设置频率为 5KHZ case 5:P0=0x49;break; /设置频率为 6KHZ case 6:P0=0x89;break; /设置频率为 7KHZ case 7:P0=0xc9;break; /设置频率为 8KHZ case 8:P0=0x12;break;

27、 /设置频率为 9KHZ case 9:P0=0x52;break; /设置频率为10KHZ case 10:P0=0x92;break; /设置频率为11KHZ case 11:P0=0xd2;break; /设置频率为12KHZ case 12:P0=0x1b;break; /设置频率为13KHZ case 13:P0=0x5b;break; /设置频率为14KHZ case 14:P0=0x9b;break; /设置频率为15KHZ case 15:P0=0xdb;break; /设置频率为16KHZ case 16:P0=0x24;break; /设置频率为17KHZ case 17:

28、P0=0x64;break; /设置频率为18KHZ case 18:P0=0xa4;break; /设置频率为19KHZ case 19:P0=0xe4;break; /设置频率为20KHZ default:break; lcd_dis_dt(low_pass); /调显示子程序 void init(void) P0=0x00; /低通默认状态为1KHZ P2=0x00; /高通默认状态为1KHZ timea=0; timeb=0; timec=0; /默认放大倍数为1倍 HL_GO=1; void main(void) lcd_init(); /lcd初始化 init(); /主程序初始化 IT1=1; /INT1下降沿中断 EX1=1; /允许INT1中断 EA=1; lcd_pos(0x00); /设置显示地址，为第1行 for(i=0;i<8;i+) lcd_write(1,tablei); /显示“ZY： D