基于AT89C52的程控滤波器的设计与仿真

1、鹭江职业技术学校鹭江职业技术学校毕业论文毕业论文论文题目：论文题目： 基于基于 AT89C52AT89C52 程控滤波器的设计与仿真程控滤波器的设计与仿真 学学 院、院、 系系 ： 信息科学与技术学院信息科学与技术学院 专专 业业 ( (方方 向向) ) ： 电子科学与技术电子科学与技术 年年 级级： 2009 级级 学学 生生 ： 刘佳丽刘佳丽 指指 导导 教教 师师 ： 马银春马银春 _2009_2009_ _年 6 月 20 日声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师的指导下取得的成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论

2、文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业论文（设计）成果归兰州商学院所有。 特此声明 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日 I程控滤波器的设计与仿真程控滤波器的设计与仿真摘摘 要要本系统实现程控滤波，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。硬件以单片机 AT89C52 为核心控制，主要由PGA103 放大器、程控滤波器 MAX262、椭圆滤波器和幅频特性测试（DDS）等部分组成。放大器采用 PGA103，实现 60dB 固定增益放大，步进 10dB 由单片机控制 AD7520 实现，其误差不大于 5%。低通、高通滤波器由单片机控制可编程滤波器芯片 MAX262 实

3、现，在 2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于 30dB。幅频特性测试由 DDS 产生信号经峰值检波后送入 A/D 转换实现。本系统设计简单，能很好地实现滤波器的程控，使用方便，具有较高的性价比、实用性和使用价值。在此文中，采用multisim 系统仿真实现程控滤波功能。 关键字关键字 AT89C52AT89C52 程控滤波器程控滤波器 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 录录一、引言.1（一）课题背景.1（二）滤波器的发展.1（三）论题的设计与要求.2（四）滤波器的分类.2（五）本文的研究内容.4二、系统组成.5（一）程控滤波器的总体说明.51、程控放大器电路.52、程控滤波器电路.63、幅频特性测试设计.6（二） 系统主要单元电路设计.71、系统简介.72、程控放大器电路.83、程控滤波电路.84、四阶椭圆低通滤波器设计电路.105、幅频特性测试设计.126、峰值检波电路.14三、系统电路详解.17（一）器件介绍.171、单片机 AT89C52.172、滤波器芯片 MAX262.183、固定放大器 PGA103.204、AD7520.

8、21（二）功能电路图.221、程控放大电路.222、程控滤波电路.233、系统总机电路.25（三）系统测试及其结果.271、放大器测试及其结果.272、低通滤波器测试及其结果.283、椭圆滤波器测试及其结果.294、幅频特性测试及其结果.305、误差分析.30四、软件设计.30（一）系统软件设计与实现.30（二）系统程序的编译与仿真.31结 论.35致 谢.36IV参考文献.37附 录.381程控滤波器的设计与仿真程控滤波器的设计与仿真一、一、引言引言（一）课题背景（一）课题背景什么是滤波器呢？从广义上来说，凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器，在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应

9、用极为广泛，从某种意义上来说滤波器的发展进程就代表了电子业的发展进程，在所有的电子部件中，使用最多、技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。我国的电子行业还处于发展阶段，相对于发达国家我们还有不小的差距，所以我们必须投入更大的努力改变这一现状，从而做到不求人，只求己。（二）滤波器的发展（二）滤波器的发展1917 年美国和德国科学家分别发明了 LC 滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20 世纪 50 年代无源滤波器日趋成熟。自60 年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗

10、、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向。导致 RC 有源滤波器 、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到 70 年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80 年代，致力于各类新型2滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90 年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。我国广泛使用滤波器是 50 年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，

11、但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。（三）论题的设计与要求（三）论题的设计与要求（1）放大器输入正弦信号电压振幅为 10mV，电压增益为 60dB，增益 10dB 步进可调，通频带为 100Hz40kHz，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 1kHz20kHz 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 40dB, RL=1k。（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。（四）滤波器的分类（四）滤波器的分类滤

12、波器有各种不同的分类，一般有如下几种。3滤 波 器模 拟数 字有 源异 类 无 源取样模拟数 字混 合表面波传输线各类谐振器陶瓷晶体机械RLC自适应复数多维窄带FIRIIR开关拓扑电荷转移器开关电容CCDBBDRCRCLCSRCMOSSET-C图 1-1 滤波器的分类（1）按处理信号类型分类按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。当然，每个分类又可继续分下去，总之，它们的分类可以形成一个树形结构，如图所示。实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器，又可

13、属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。因此，我们不必苛求这种“精确”分类，只是让人们了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。4（2）按选择物理量分类按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如 PCM 制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。（3）按频率通带范围分类按频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别，而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器，因为它有周期性的通带和阻带。（五）本文的研究内容（五）本文的研究内容本次课题主要研究的是以单片机为核心控制而设计的程控滤波器，硬件以单片机 AT89C52 为核心控制，主要由 PGA103 放

14、大器、程控滤波器 MAX262、椭圆滤波器和幅频特性测试（DDS）等部分组成。本系统可实现程控滤波，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。本次课题的仿真部分，用到了 multisim 软件，主要针对程控滤波器的放大部分与滤波部分。通过设置函数信号发生器的参数改变输入信号，由四踪示波器观察得输出信号随之改变的情况，最后分析数据得出结论。5二、系统组成二、系统组成（一）程控滤波器的总体说明（一）程控滤波器的总体说明按设计要求，我大致将程控滤波器按功能分为三部分，如图 21所示：1、程控放大器电路2、程控滤波电路3、幅频特性测试幅频特性测试单片机AT89C52锁存器60dB

15、放大程控衰减程控滤波器输出输入图 2-1 系统总体框图1 1、程控放大器电路、程控放大器电路方案一：采用模拟电路搭建，由模拟开关选择不同的电阻档实现步进。此方法不占用单片机资源，使单片机能更好地控制其它电路，但采用纯模拟电路搭建不易控制，且控制精度不高。方案二：程控放大器由两极电路组成，输入信号首先经过 PGA103固定放大后送入 AD7520 由单片机控制增益步进。由于 AD7520 输入电压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 决定步进精度，方便调节控制步进。原理框图如图 22 所示。初步放大增益控制再次放大图 2-2 程控放大原理框图

16、基于以上方案比较，我选取方案二。2 2、程控滤波器电路、程控滤波器电路方案一：采用运放构成切比雪夫有源滤波电路，通过单片机间接控制可变电容两端的电压改变电容的值来改变截止频率和程控步进。但电路复杂，不容易控制且精度不高，也不易于带通带阻等功能的扩展。方案二：选用专用的程控滤波器芯片 MAX262 实现。MAX262 可编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带阻和全通滤波器处理，且滤波器的特性参数如中心频率、品质因数等可通过编程进行设置。基于以上方案比较，我选取方案二。3 3、幅频特性测试设计、幅频特性测试设计采用扫频的方法：让不同的频率的标准信号通过待测系统，通过比较输入、输出波形的幅度关系

17、，得到系统的幅频特性。原理框图如图 2-3 所示。7信号源检测网络峰值检波峰值检波A/D转换单片机图 2-3 幅频特性测试方案一：采用单片机动态编程技术，用软件产生正弦波数据，存入RAM，利用指令寻址，经 D/A 转换输出波形。用有源峰值检波器实现峰值检波，再送入 A/D 转换完成量化，由单片机控制经 D/A 输出得到幅频特性。因单片机工作频率的限制使得其产生的信号采样点数少，上限频率不高。方案二：采用锁相式频率合成器，利用 PLL 将 VCO 的输出品，锁定在所需频率上。方案三：采用直接频率合成（DDS） ，按频率要求对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据，经

18、 D/A转换、滤波即得所需波形。单片机通过置入不同的相位增量来实现对正弦波频率的控制。采用 DDS 产生的信号精度高，线性和稳定度好。基于以上方案比较，我选取的是方案三。（二）（二） 系统主要单元电路设计系统主要单元电路设计1 1、系统简介、系统简介本系统主要以 AT89C52 单片机为控制核心，由 PGA103 放大器、程控滤波器 MAX262、椭圆滤波器和幅频特性测试组成。实现了电压增益放大 60 dB 和 10dB 步进，频率为 1K-20KHZ 步进为 1K 的低通高通滤波8器，LC 构成的椭圆低通滤波器和扫频范围 100-200KHZ 的幅频特性测试。2 2、程控放大器电路、程控放大

19、器电路程控放大器采用固定放大器（PGA103）加可控电路（AD7520）实现。由于 AD7520 的输入信号不能太大，所以采用初、次两极放大。将 D/A看成一个可数控的电阻网络来实现增益可变放大，其放大倍数由单片机送到 D/A 的数据决定。其仿真电路如图 2-4 所示。图 2-4 程控放大器3 3、程控滤波电路、程控滤波电路滤波电路采用 MAX262 芯片设计，MAX262 芯片是 Maxim 公司推出的双二阶通用开关电容有源滤波器，可通过微处理器精确控制滤波器的传递函数（包括设置中心频率、品质因数和工作方式） 。在不需外部元件9的情况下就可以构成各种带通、低通、高通、陷波和全通滤波器。在程序

20、控制下设置中心频率、品质因数和滤波器的工作方式。输入时钟频率与 6 位 编程输入代码一起决定滤波器的中心频率或截止频率，不影响其他滤波参数。滤波器 Q 值也可独立变成。每个滤波器的独立时钟输入端可以连接晶体振荡器、FC 网络或外部时钟发生器。片内开关和电容提供反馈以控制每个滤波器的 和 Q。内部电容的开关速率是影响这些参数精度的主要因素，尽管这些开关电容网络（SCN）实际上为采样系统，但它们的特性可与连续滤波器(如 RC 快速滤波器）的特性相媲美。时钟频率与中心频率之比（）保持高值，以便保持理想的二阶状态变量响应。该电路由芯片 AT89C52 的 P1 口来控制,由单片机的 P0.0P0.5

21、口及 P2.2 将数据送入存储器 74HC573 存起来再送入 MAX262 。通过设置相应的参数,可实现带宽为 1K-20KHz 的低通、高通、带通滤波。其滤波电路如图 2-5 所示。10图 2-5 四阶滤波器4 4、四阶椭圆低通滤波器设计电路、四阶椭圆低通滤波器设计电路四阶椭圆低通滤波器，由运放 NE5534、电感、电容等构成 LC 有源滤波电路。经仿真，各个参数都得到了圆满的解决，其仿真电路和防真波形如图 2-6，2-10 所示。11图 2-6 四阶低通椭圆滤波器32618574U1+12-12R11kR250C657nFC890nFC72.7nFGND12J2CON2GND12J3CO

22、N2C10.1uFC20.1uF+C310uF+C410uF+12GNDGND-12123J1CON3+12GND-12L1220uHL2180uHGNDC51uF图 2-7 四阶低通椭圆滤波器原理图设计电路原理：利用集成运算放大器与 RC 低通电路组成有源滤波器，可以提高通带电压放大倍数和带负载能力，我采用运放 NE5534，级联 RC 电路，因为 NE5534 集成了两块运放，输入电压经过四级 RC 低通电路后，接到运放同相端，从而构成了四阶低通滤波器。从运放的输出端接一个电容到12同相端，其实是引入了一个反馈，其目的是为了使输出电压在高频段迅速下降，在接近于通带截至频率的范围内不致下降太

23、多，从而有利于0f改善滤波特性。当时，每级 RC 电路的相位移为-，因为0ff45，故两级的 RC 电路的总相移为-，因此在接近但又0()farctgf 90f0f低于的频率范围内，与的相位差接近-，与同相，所以电0foUiU90oUiU容反馈为正反馈，即反馈信号加强了输入信号的作用，使电压放大倍数增大，在接近时，幅频特性不会下降的太快。当时,每级 RC 电0f0ff路的相位移接近-。则两级 RC 电路的总相移接近-，此时与90180oU反相，反馈为负反馈，反馈信号减弱输入信号，放大倍数降低，于是iU高频段下降快。因为是两个运放级联构成滤波电路，每个运放与 RC 低通电路独立滤波，所以滤波效果

24、更优于二阶低通滤波器。 运放输出信号再接入 RC、LC 电路，构成谐振回路，用于提高电路的抗干扰能力，选择出所需信号。放大倍数公式如下：010251upouiAUmvAfUmvjf，滤波器的截止频率为。012fRC1kHZ13图 2-8 信号源图 2-9 滤波器输出信号波形图 2-10 椭圆滤波器的波特图可以从波特图中看出，当滤波器的截止频率为 1K时,衰减为 3dB左右，符合程控滤波器的设计要求。5 5、幅频特性测试设计、幅频特性测试设计信号源由直接数字频率合成器（DDS）构成，峰值检波采用二极管包络检波电路。信号源经被测网络后进行峰值检波，再由A/D采集数据送入单片机处理后由D/A转换送出

25、。测量原理如图2-11所示。正弦信号发生器（DDS）被测网络数据采集、处理、输出图 2-11 幅频特性测试原理框图14其中，信号源部分电路如下 图 2-12 信号源电路6 6、峰值检波电路、峰值检波电路图 2-13 峰值检波原理图15 +1-2VOUT3U112J1CON2R25.1kC10.15uC20.01uC30.047uR151kR71.8kR6510R35.1kR8560D1R420kR5100k+C447u12J2CON2图 2-14 峰值检波原理图电路原理：本电路利用二极管的单向导电性，从输入调幅波中检出原来的低频调制信号。输入端加一运算放大器，目的是为了提高由调幅部分送来的正常

26、调幅波的幅度，以满足大信号峰值检波的要求。它是由信号源、运放、二极管和低通滤波器串联组成，电路有两个作LR CLR C用，一是作为检波器的负载，在其两端输出调制信号电压；二是起到载波滤波作用。当输入信号较大（大于 0.5V）时，检波器即可工作于大信号峰值包络检波状态。在高频信号电压的正半周时，二极管正向导通并对电容器 C 充电，由于二极管的正向导通电阻很小，所以充电电流 很di大，使电容器上的电压很快就接近高频电压的峰值。这个电压建立后cU通过信号源电路，又反向地加到二极管 D 的两端。这时二极管导通与否，由电容器 C 上的电压和输入信号电压共同决定。当高频信号的瞬时cUiU值小于时，二极管处

27、于反向偏置，管子截止，电容器就会通过负载电cU阻 R 放电。由于放电时间常数 RC 远大于调频电压的周期，故放电很慢。当电容器上的电压下降不多时，调频信号第二个正半周的电压又超过二16极管上的负压，使二极管又导通。在导通时间内又对电容器充电，电容器的电压又迅速接近第二个高频电压的最大值。当二极管又截止时，电容器又通过负载电阻 R 放电，不断地循环反复以上过程，因此只要充电很快，即充电时间常数C 很小（为二极管导通时的内阻） ；而放dRdR电时间常数足够慢，即放电时间常数 RC 很大，满足C RC,就可dR使输出电压的幅度接近于输入电压的幅度,即传输系数接近 1。另外，cViV由于正向导电时间很

28、短，放电时间常数又远大于高频电压周期（放电时的基本不变） ，所以输出电压的起伏是很小的，可看成与高频调幅波cVcV包络基本一致。而高频调幅波的包络又与原调制信号的形状相同，故输出电压就是原来的调制信号，最后接电位器和固定电阻，是为了增大cV电路的负载，而检波器总是通过大容量的耦合电容与其他电路相接。图 2-15 信号源17图 2-16 检波器输入、输出波形根据示波器的仿真示意图，可以看出输入、输出信号的波形基本一致，可以很好的回复解调信号。三、系统电路详解三、系统电路详解（一）器件介绍（一）器件介绍1 1、单片机、单片机 AT89C52AT89C52AT89C52 是一个低电压，高性能 CMO

29、S 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出18（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线。图 3-1 AT89C52 引脚示意图表 3-1 AT89C52

30、 引脚说明表名 称功 能Vcc接+5V 电源正端Vss接+5V 电源地端XTAL1接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，构成片内振荡器。XTAL2接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是片内振荡器的输出端。口0P统称为口。作为双向口。0.0P0.7P0PIO口1P统称为口。作为双向口。1.0P1.7P1PIO口2P统称为口。作为双向口。2.0P2.7P2PIORXD串行口输入端TXD串行口输出端0INT外部中断 0 请求输入端，低电平有效1INT外部中断 1 请求输入端，低电平有效19T0定时器/计数器 0 计数脉冲输入端T1定时器/计数器 1 计数脉冲输入端WR外部

31、数据存储器写选通信号输出端，低电平有效RD外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效ALE/ PROG地址锁存有效信号输出端PSEN片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效RST上电复位或掉电保护端/ EAPPV为片外程序存储器选用端。低电平时，只选用片外程序存储EA器，否则选用片内存储器。2 2、滤波器芯片、滤波器芯片 MAX262MAX262MAX262 芯片是 Maxim 公司推出的双二阶通用开关电容有源滤波器,可通过微处理器精确控制滤波器的传递函数（包括设置中心频率、品质因数和工作方式）。它采用 CMOS 工艺制造,在不需外部元件的情况MAX262 引脚就可以构成各种带通、低通、高通

32、、带阻和全通滤波器。图 3-2 MAX262 内部结构图20图 3-3 MAX262 引脚示意图表 3-2 MAX262 引脚说明表名 称功 能V+正电源电压端V-负电源电压端GND模拟地。对双电源工作接到系统地，对单电源工作接到电源电12压。在单电源应用中，GND 应很好地接旁路。ACLK滤波器 A 的振荡器输入及时钟输入端，这个时钟在内部被二分频。BCLK滤波器 B 的振荡器输入及时钟输入端，这个时钟在内部被二分频。CLK OUT晶体和 RC 振荡器工作的时钟输出端OSC OUT振荡器输出端。自时钟工作时，连接到晶体。INA，INB滤波器输入端BPA，BPB带通输出端LPA，LPB低通输出

33、端HPA，HPB高通/陷波/全通输出端_WR写允许输入端A0,A1,A2,A3和 Q 输入数据单元的地址输入端0f21，0D1D和 Q 编程数据输入端0fOPOUT自由运算放大器输出端OPIN自由运算放大器输入端3 3、固定放大器、固定放大器 PGA103PGA103PGA103 是增益可控的放大器，通过两个 CMOS/TTL 开关可选择不同的增益值（1，10，100） 。图 3-4 PGA103 引脚示意图表 3-3 PGA103 引脚说明表名 称功 能VIN信号输入端VOUT信号输出端A1放大倍数控制端A0放大倍数控制端A1=0,A0=0放大倍数为 1A1=0,A0=1放大倍数为 10A1

34、=1,A0=1放大倍数为 100V+电源正端(MIN+4.5，TYP=+15,MAX=+18)22V-电源负端(MIN-4.5，TYP=-15,MAX=-18)GND接地端4 4、AD7520AD7520AD7520 是一种廉价型的 10 位 D/A 转换芯片,其输出Vout=DnVref/210,其中 Dn 为 10 位数字量输入的二进制值,可满足=1024 挡增益调节,满足题目的精度要求。它由 CMOS 电流开关和梯形102电阻网络构成,具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点。图 3-5 AD7520 引脚示意图表 3-4 AD7520 引脚说明表名 称功 能1out

35、l信号输出端2outl虚拟地端GND数字地端MSB信号和数字位LSB信号和数字位23BIT2BIT9数字位V+电源（+5v+15v）REFV参考电压输入端RFEEDBACK反馈电阻（二）功能电路图（二）功能电路图1 1、程控放大电路、程控放大电路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图 3-6 程控放大电路原理图电路原理：本电路由三个模块组成，分别是前级放大，后级放大，滤波控制。前级放大主要是由两个 PGA103 规定放大器组成，前两个放大器级联，输出信号送入 AD7520 的参考电压端，为了易于实现最大 60dB 增益的调节,我采用 D/A 芯片 AD7520 的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。AD7520 是一种 10 位 D/A 转换芯片,其输出 Vout=DnVref/210,其24中 Dn 为 10 位数字量输入的二进制值,可满足=1024

39、 挡增益调节,精度102满足要求。但由于 AD7520 对输入参考电压 Vref 有一定幅度要求,为使输入信号在 mVV 每一数量级都有较精确的增益,最好使信号在到达AD7520 前经过一个适应性的幅度放大调整,再通过 AD7520 衰减后进行相应的后级放大,并使前后级增益积为 1024,与 AD7520 的衰减分母抵消,即可实现程控放大。鉴于此，故在 AD7520 输出端接入了一个 PGA103，用于后级放大，经放大的信号输入滤波器芯片 MAX262，由两个 4051(3-8译码器)对 MAX262 输出的滤波器种类进行控制。U2 控制、ALP、，U3 控制、。ABPAHPBLPBBPBHP

40、而对 4051、MAX262 的控制则由单片机 AT89C52 单元模块电路控制。2 2、程控滤波电路、程控滤波电路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图 3-7 程控滤波电路原理图电路原理：本模块是本次设计的核心部分，是整个电路的控制部分，单片机采用了 AT89C52，外接两个 74HC573 锁存器，P1 口作为输入口，P0、P2 口作为输出口，接入两个锁存器，经过延时后，与程控放大电路相连，组成完整的系统电路。单片机 X1、X2 外接石英晶体，构成片内振荡器，为单片机提供稳定的时钟频率，接高电平，选用片内程序存储器，通过 74LS

44、00 选_/PEA V通片外数据存储器。P0 口输出的数据分别送入两个 74HC 573 锁存器，待时钟频率一致后，输出数据分别控制 AD7520 的放大增益值和滤波器26芯片 MAX262 的和 Q 输入数据单元和编程数据单元。0f单片机的 T0、T1 口对译码器 1（U2）进行控制，从而间接对滤波器芯片 MAX262 选择滤波器的种类进行控制，分别为、。 RXDALPABPAHP和 TXD 口对译码器 2（U3）进行控制，MAX262 选通滤波器分别为、BLP、。BBPBHP3 3、系统总机电路、系统总机电路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图 3-8 总机电路原理图27图 3-9 总机电路的 PCB 板图总体电路原理：总机电路如图 38 所示，输入信号先通过两

51、块 PGA103 固定放大器，经放大的信号输入 AD7520 转换器，经转换后的信号通过一个 26口的接头与单片机 AT89C52 口相连，而单片机口的输出数据经过Io0P0P两个 573 锁存器进行锁存后，一个用于控制 AD7520 的放大增益，一个用于控制 MAX262 截至频率和品质因素数据和程序输入。而对于 MAX262 来说，外接两个 38 译码器是为了选择滤波器的输出种类，因为 MAX262 可以输出低通、高通、带通、带阻以及全通滤波器，第一个译码器的 X0，X1，X2 口与 MAX262 的、口相ALPABPAHP连，而译码器的控制口 A、B、C 则与单片机 P3 口相接，由单片

52、机控制其输出，其中 C 口接地，选择三个输出，只需两个控制端口就可以实现了；第二个译码器的 X0，X1，X2 口与 MAX262 的、口相连，BLPBBPBHP28同样由单片机控制其输出。由单片机的定时器/计数器 0 和定时器/计数器 1 控制第一个译码器选择 MAX262 输出、或滤波器，由单片ALPABPAHP机的 RXD 和 TXD 串行输入输出端口控制另一个译码器选择 MAX262 输出、或滤波器。滤波器芯片 MAX262 写允许输入端由单片机BLPBBPBHPP2.2 口控制，一般情况下为低电平有效。MAX262 的、外_WRACLKBCLK接一石英晶体，与振荡器输出端相连，构成振荡

53、器。对于单片机 AT89C52 来说，XTAL1 与 XTAL2 外接一 12M 的石英晶体，共同构成了片内振荡器，接电源，目的是选用片内程序存储器；_/PPEA VRET 外接开关，用于单片机复位；外部数据存储器的读、写端外接74LS00 二输入与非门，低电平有效，而系统并没有扩展外部数据存储器，所以、为高电平，经 74LS00 输出为低电平。_RD_WR单片机的 P2.0 与 P2.1 口分别用于启动两个 573 锁存器。（三）系统测试及其结果（三）系统测试及其结果1 1、放大器测试及其结果、放大器测试及其结果（1）放大器增益在 060dB 按 10dB 增益步进，用精密数控函数信号发生器

54、产生一个峰值 10mV 的正弦信号，经过放大器放大后，用数字电压计测量输出的电压峰值，则输出与输入电压之比就为实际增益，测试如下：。表 3-1放大器增益指标测试数据标准增益（dB）0102030405060输入电压（mV）1030628100100202020输出电压（V）1.031.961.013.082.026.3220.6实际增益（dB）09.8820.0829.7740.0949.9960.2629从结果可以看出，实际增益的偏差在题目允许的范围之内。（2）函数信号发生器产生一幅值为 1V 的标准正弦信号，放大器设置在10dB，数字电压计记录数据，示波器监视波形，测试结果如下：表 3-2

55、放大器通频带测试数据频率值（Hz）1001K10K20K30K40K输出幅值（V）3.163.153.052.952.902.88从测试结果可以看出，当频率从 100Hz 到 40KHz 时，幅值仅衰减到原来的 91.1%，完全满足通频带为 100Hz40KHz，放大器输出电压无明显失真的指标。2 2、低通滤波器测试及其结果、低通滤波器测试及其结果输入一个幅值为 2V 的正弦信号，通过改变输入信号的频率，使其输出信号幅值衰减到通带内幅值的 0.707 倍，记录下此时的频率，该频率就是该设置点的截止频率。测试结果如下表所示：表 3-3四阶低通滤波器性能测试数据低通滤波器截止频率fc（KHz）实测

56、截止频率（KHz）fc 处幅值（V）2fc 处幅值（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由于采用双电位器并联，程控电阻能最大限度地满足电路的需要。这使得最终结果较为精确，远高于题目中“误差小于 10%”的指标。3 3、椭圆滤波器测试及其结果、椭圆滤波器测试及其结果输入一个振幅值为 10mV 的正弦信号，放大器设置在 60dB，放大器在 0250K 范围内按 32 个具有代表性的频点来改变其频率，经椭圆滤波器输出后用数字电压计测量输出信号的电压峰值，以此观察椭圆滤波器的滤波特性。测试结果如下：表 3-4椭圆滤波器性能测试数据频 率（KHz）输出电压幅值（V）频 率（KHz）输出电

58、压幅值（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从结果可以看出，在通频带内，输出电压幅值变化1dB B(11%)，幅值

59、-3dB 发生在频率约 50.8KHz 处, 其误差在题目允许的5%范围之内，200KHz 处总电压仅 0.74V,远小于总电压增益 5 dB(1.78V)的要求。4 4、幅频特性测试及其结果、幅频特性测试及其结果扫频产生的信号的频率变化范围是 100Hz200KHz，频率步进可任意设定，可对上述滤波器进行扫频测试，也可对无源 RC 或 LC 网络进行扫频测试，其输出波形可直接在 LCD 上或 CRT 示波器显示。5 5、误差分析、误差分析（1）容阻器件参数误差；（2） 模拟开关体电阻等；（3）测试仪表产生的误差；（4）电源纹波和电磁干扰；（5）温度漂移等。四、软件设计四、软件设计（一）系统软

60、件设计与实现（一）系统软件设计与实现本系统程序是以 51 系列 Keil C 语言编写实现的，程序的编写与调试是在 Keil_c51_v802 和 Protues6.9 两个 EDA 工具软件上实现的，Keil_c51_v802 主要是用来编写与编译 C 程序，而 Protues6.9 则是用来仿真系统功能。32系统初始化按键中断增益模式高 通增益设 置增益加增益减低 通截至频率设置截至频率 加截至频率设置截至频率 加截至频率 减中断返回截至频率 减 开 始键值判断滤波器模式图 4-1 主程序流程图（二）系统程序的编译与仿真（二）系统程序的编译与仿真程序是利用 51 系列 Keil C 语言编