基于MAX262的程控滤波器设计说明

1、毕业设计(论文)题目 基于MAX262的程控滤波器设计 学生伟专业班级电子信息工程08-1班 所在院系电气信息学院指导教师宗静静职称讲师所在单位交通大学教研室主任贾世杰完成日期 2012 年 6 月16日摘 要本设计由电源模块、MCU控制器模块、显示模块、键盘控制模块、时钟产生模块、程控滤波器模块组成。使用STC12C5A60S2作为MCU，发送频率控制状态字(FTW)使AD9850(DDS)芯片产生的频率可调的正弦波，将产生正弦波的经由高速比较器模块的整形后充当步进时钟提供给程控滤波器模块，MCU并辅以发送的程序状态字于程控滤波器模块达到控制滤波器工作模式与相应滤波性能指标，最终实现预期滤波

2、效果。本课题正是针对目前传统滤波器相应滤波性能指标相对固定、精度相对低等不足提出的，辅以开关电容滤波器的设计理念，兼顾数字化的控制过程，能够减少使用过程中的不确定因素和人为参与硬件设计的环节数目，有效地解决相应模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极提高生产效率和产品的可维护性，具有一定可借鉴价值。关键词：MCU DDS 低通滤波 程控滤波器ABSTRACTThis designconsists of the power module, thedisplay module, the keyboard control module, the clock producing module

3、 and the programmable filter module. Using STC12C5A60S2 as MCU that sends a frequency tuning word (FTW) to AD9850 (DDS) chip which can produce a frequency-adjustable sine wave.After high-speed comparing, the wave was provided to the programmable filter modules asa marching clock. Then MCU sends PSW

4、to the programmable filter modulesto control the functional mode and performance index of the filter, so that this designcan achieve the expected effects of filtering.This designis aimed at changing the shortcoming of traditional filters that the performance index is relatively fixed and the precisi

5、on is relatively low. With the idea of Switched Capacitor Filter design and the digital control processing, this project can reduce uncertain factors such as factitious hardware designingprocedures. This design can effectively solve engineering problems such as reliability, intelligentizing and prod

6、uct consistency, and greatly improve the production efficiency and product maintainability. It may have certain value in applications.Keywords： MCUDDS Low-pass Filtering Programmable Filter目 录第一章绪论11.1研究的背景和意义11.2课题的研究对象11.3论文的结构安排2第二章滤波原理概述32.1滤波、滤波器的概念32.2滤波器的分类32.3滤波器的原理32.3.1三种典型滤波器概述32.3.1.1巴特沃

7、兹滤波器32.3.1.2切比雪夫滤波器32.3.1.3贝赛尔滤波器32.3.2三种典型滤波器滤波特性对比42.3.2.1巴特沃兹滤波器42.3.2.2切比雪夫响应42.3.2.3贝赛尔响应42.4滤波器设计方法的演变42.5开关电容型滤波器的原理概述62.5.1开关电容型滤波器的基本原理62.5.2开关电容型滤波器的主要特性72.5.3集成开关电容型滤波器电路的类型和功能简介7第三章程控滤波器总设计方案论证103.1程控滤波器设计总体思路介绍103.2基于MAX262的程控滤波器设计方案论证103.2.1时钟产生模块的论证与选择113.2.2程控滤波器模块的论证与选择123.2.3键盘模块的论

8、证与选择123.2.4MCU控制模块的论证与选择133.2.5显示模块的论证与选择133.2.6电源模块13第四章系统硬件设计与实现144.1MCU控制器模块设计与实现144.1.1STC5A60S2系列芯片简介144.1.2STC5A60S2系列单片机引脚说明154.1.3MCU控制器模块原理图154.2UI界面模块设计与实现154.2.1显示模块设计与实现164.2.2键盘控制模块设计与实现174.3时钟产生模块设计与实现174.3.1DDS芯片AD9850简介174.3.2DDS芯片AD9850引脚说明184.3.3时钟产生模块原理图184.4程控滤波器模块设计与实现184.4.1程控滤

9、波器芯片MAX262简介184.4.2程控滤波器芯片MAX262引脚说明194.4.3程控滤波器模块原理图204.5电源模块设计与实现20第五章系统软件设计与实现225.1系统功能描述225.2总程序流程图22第六章测试方案与测试结果236.1MAX262实现低通滤波器测试结果236.2MAX262实现高通滤波器测试结果256.3MAX262实现带通滤波器测试结果276.4数据分析28结论29辞30参考文献31附录3232 / 36第一章 绪 论1.1研究的背景和意义电子滤波器是一种可执行信号处理功能的电子线路元件或装置，它具有去除信号中不想要的成分或者增强所需成分的功能。电子行业的许多应用场

10、合都要用到电子滤波器，并且对滤波器的要求也越来越高。比如测量系统从传感器拾取的信号中，往往包含有噪声与许多与被测量无关的信号，并且原始的测量信号经传输、放大、变换、运算与各种其他的处理过程，也会混入各种不同形式的噪声，从而影响测量精度。这些噪声一般随机性强，很难从时域中直接分离，但限于其产生的机理，其噪声功率是有限的，并按一定的规律分布于频域某一特定的频带中。因此，信号分离电路一般采用电子滤波器实现噪声的抑制，提取所需的测量信号。但是一般系统中采用的滤波器的形式和截止频率往往是固定的，很难做到可调，这就给系统的设计带来一定的不便。其次，传统滤波器在工作时产生的误差会影响整个系统的精确度。由于低

11、精度的滤波器在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对滤波器提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得好的市场。传统滤波器功能单一，调节精度不高，用户使用人机界面不友好，而且性能指标经常跳变，使用麻烦。目前，随着集成电路技术的发展，已有高阶专用的开关电容滤波器芯片，但其价格高，电路噪声也不尽如人意，此外其还存在信号混叠问题，设计使用时对设计者能力要求较高。本课题程控滤波器系统是针对目前传统滤波器的不足提出的，辅以开关电容滤波器的设计理念，兼顾数字化的控制过程能够减少使用过程中的不确定因素和人为硬件设计参与的环节数，有效地解决相应模块中诸如可靠性

12、、智能化和产品一致性等工程问题，极提高生产效率和产品的可维护性。1.2课题的研究对象开关电容滤波器是由受时钟信号控制的开关和电容器组成的滤波电路。它是利用电荷的存储和转移来实现对信号的各种处理功能。因此，开关电容滤波器的使用可以很好地解决滤波器的形式和截止频率固定的问题，即可由所需滤波函数产生相应带通、低通、高通、陷波和全通配置的滤波器。目前，国外已批量生产了各种单片集成开关电容滤波器并可实现程控滤波的效果。单片集成开关电容滤波器不需要添加外部元件即可实现相应滤波效果，并且可在微处理器的系统程序设置滤波器中心频率、品质因数和滤波器所处工作方式的相应控制状态字以达到相应程控目的，进而实现不同类型

13、的滤波器。并且其滤波功能与实时性好、响应速度快，因此为广大用户所喜欢。本课题源自于索尼杯2007全国大学生电子设计竞赛 D题，要求设计基于MAX262的程控滤波器，其中微处理器选用8051架构处理器，步进时钟通过DDS芯片间接产生，辅以相应良好的人机交互界面(UI界面)构成硬件系统。通过本次程控滤波器的系统设计，可以增强滤波器系统设计能力和发现问题、分析问题、解决问题的能力。1.3论文的结构安排论文各章的容安排如下:第一章是绪论部分，介绍论文选题的背景，论文的主要研究对象和结构安排。第二章介绍滤波器原理，并着重介绍开关电容型滤波原理。第三章介绍介绍程控滤波器总设计方案论证，其中包括各个模块设计

14、方案综述。第四章介绍本课题系统硬件各模块设计与实现。第五章介绍本课题系统软件各模块设计与实现。第六章介绍本课题测试方案与测试结果。第二章 滤波原理概述2.1滤波、滤波器的概念滤波就是将多种频率的信号经过处理得到想要的特定频率的信号，即将有用的信号中的杂波信号滤除，或者是将多种信号中的特定频带保留。滤波器就是利用一些特殊元器件的特性，将有用信号取出，所以滤波就出现早期的RC滤波、LC滤波与混合滤波的概念。2.2滤波器的分类自从滤波器登上了历史舞台，滤波器的设计结构思路也经历多次演变，进而产生不同设计分类。根据滤波器的特性和应用场合与结构形式等可以有如下的不同分类方法：(1) 从设计功能上分为：低

15、通、高通、带阻、带通、全通。(2) 从设计方法上来分为：切比雪夫滤波器、巴特沃兹滤波器、贝塞尔滤波器等。(3) 从处理信号上来分为：经典滤波器、现代滤波器。(4) 从处理信号形式上分为：数字滤波器，模拟滤波器。其中数字滤波器、模拟滤波器又可细分为：(1) 从数字滤波器实现方法上又分为：FIR、IIR。(2) 从模拟滤波器实现方法上又分为：有源滤波器，无源滤波器。2.3滤波器的原理2.3.1三种典型滤波器概述2.3.1.1巴特沃兹滤波器巴特沃兹滤波器具有尽可能平坦的通带幅度响应。截止频率的衰减设计为-3dB。高于截止频率的频带衰减具有适中的斜率20dB滚降每十倍频程每极点。巴特沃兹滤波器的脉冲响

16、应具有适当的过冲与振铃。2.3.1.2切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器与巴特沃兹滤波器相比，此类型的滤波器在通带以外的衰减更为陡峭该优点是以牺牲通带的幅度变化量为代价的。与巴特沃兹与贝赛尔响应不同，切比雪夫滤波器的截止频率定义为响应滚降至低于纹波带的频点。对于偶数阶滤波器而言，所有纹波均高于0 dB增益的直流响应，因此截止频点位于0 dB 衰减处。对于奇数阶滤波器来说，所有的纹波均低于0 dB增益的直流响应，截止频率则定义为低于纹波带最大衰减点。在极点数量一定时，增加通带纹波可实现更陡峭截止。相对于巴特沃兹滤波器而言，切比雪夫滤波器的脉冲响应具有更大的振铃。2.3.1.3贝赛尔滤波器贝赛尔滤波器也

17、称为汤姆逊型滤波器。由于其线性相位响应特性，使得此类滤波器具有最优的脉冲响应性能。对于给定的极点数量而言，贝赛尔的幅频响应并不如巴特沃兹平坦，-3dB 截止频率以外频带的衰减也不如巴特沃兹陡峭。尽管须采用更高阶的贝赛尔滤波器来逼近给定的巴特沃兹滤波器的幅频响应，但考虑到贝赛尔滤波器的脉冲响应保真度，增加一定的设计复杂性也是物有所值的。2.3.2三种典型滤波器滤波特性对比2.3.2.1巴特沃兹滤波器优点：巴特沃兹滤波器提供了最大的通带幅度晌应平坦度，具有良好的综合性能。其脉冲响应优于切比雪夫，衰减速度优于贝赛尔。缺点：阶跃响应存在一定的过冲与振荡。2.3.2.2切比雪夫响应优点：与巴特沃兹相比，

18、切比雪夫滤波器具有了更良好的通带外衰减。缺点：通带纹波令人不满，阶跃晌应的振铃较严重。2.3.2.3贝赛尔响应优点：贝赛尔滤波器具有最优的阶跃响应非常小的过冲与振铃。缺点：与巴特沃兹相比，贝赛尔滤波器的通带外衰减较为缓慢。2.4 滤波器设计方法的演变(1) 设计无源滤波器无源滤波器可以设计为无源RC滤波器、无源LC滤波器等，主要使用相应无源元器件实现滤波电路，具体设计电路示意图如下图2-1所示：图2-1 无源滤波示意图无源滤波网络多以分离元件组成，不易大规模集成。(2) 设计有源滤波器有源滤波器的结构组成：由无源元器件(例如：电感、电容、电阻等)与有源放大器等组成的有源网络，具体设计电路示意图

19、如下图2-2所示：图2-2 有源滤波示意图有源滤波网络多以分离元件与小规模集成运放组成，不易大规模集成。(3) 开关电容型滤波器开关电容型滤波器由MOS电容、电子开关和有源放大器等组成。值得一提的是开关电容型滤波器性能更像数字滤波器，具体设计电路示意图如下图2-3所示：图2-3 开关电容型滤波器示意图滤波网络多以MOS管、电子开关、小规模集成运放等组成，易实现大规模集成。(4) 数字滤波器数字滤波器的设计一般方法为:由MATLAB工具软件设计数字滤波器达到预期效果后,并在DSP上或FPGA上实现。其中数字滤波器的基本硬件模块可以采用加法器、乘法器、延时器等基本硬件结构设计实现。近年来开始使用F

20、PGA实现数字滤波器已成为趋势，具体设计电路示意图如下图2-4所示：图2-4 使用FPGA设计数字滤波器示意图由于本课题为设计使用开关电容型滤波器故着重介绍开关电容型滤波器原理。2.5 开关电容型滤波器的原理概述2.5.1 开关电容型滤波器的基本原理RC有源滤波器由电阻、电容C和有源放大器组成。开关电容型滤波的基本原理是以开关电容来模拟有源滤波器中的电阻，从而克服了集成电阻精度和稳定性都差的缺点。所以一般开关电容型滤波器是由电子开关、电容和有源放大器组成。在集成电路中电子开关是由MOS晶体管的交替通断来实现的。一个电容和一对开关可模拟一个电阻，其等效电阻与开关的开关频率成反比，工作原理示意图如

21、图2-5所示：图 2-5 开关电容型滤波器的基本原理根据欧姆定律，电压加到一个电阻上将产生电流，具体如图2-5(a)所示： 2-1当考虑图2-5(b)的电路时，图中输入电压通过开关和加到上，使电容充放电。电容上总的电容量可表示为： 2-2当断开，闭合时，电荷流到地端。对于固定的开关频率越高单位时间流过的电荷越大，而电流是流过电荷的速率，所以电路中平均电流为： 2-3其中是开关的开关周期，是开关频率。由方程2-3可写出电路的等效电阻为： 2-4可见等效电阻是和的函数，所以改变可改变电阻值。一个单极点有源积分器如图2-5(c)所示，其截止频率为： 2-5将R用开关电容电阻来代替，即如图2-5(d)

22、所示：2-6所以截止频率与时钟频率和电容比成正比。改变可改变截止频率。2.5.2 开关电容型滤波器的主要特性在近年来开关电容型滤波器集成电路的开发和应用中，开关电容型滤波器表现出许多优异的特点。同无源LC滤波器和有源RC滤波器相比，开关电容型滤波器具有以下一些主要特性：(1)开关电容型滤波器为单片集成，体积小，功耗低。(2)开关电容型滤波器的转折频率(或截止频率)的精度较高。有源RC滤波器的转折频率取决于RC乘积。而一般集成电容的精度最高只能达到10，因此集成的RC滤波器的频率响应误差也将达到10。开关电容型滤波器的转折频率取决于电容比和时钟频率，虽然精密集成电容不易制造，但电容比则很易控制到

23、小于1。所以开关电容型滤波器转折频率的精度也相应提高。(3)对已制好的开关电容型滤波器来说，只需一个时钟源来控制开关电容型滤波器的转折频率。如转折频率的精度要求很高，可使用外接晶振提供稳定的时钟。而且通过改变时钟频率可得到频带实时可调的滤波器，也可得到一个扫频滤波器。(4)开关电容型滤波器的通用性已经接近了门级电路或运放级电路的通用性。同样一块芯片可用来设计一个低通、带通、高通、带阻或全通滤波器；滤波器的频率响应类型可选择巴特沃斯、切比雪夫、椭圆函数、贝赛尔函数滤波器等中的一种；滤波器的带纹波也可选择与控制；品质因数可在大围改变，最低值可小于0.1，而最高值可大于100。(5)不需使用分立电容

24、、电感元件。分立电感，电容体积大，精度差，温度灵敏度高，最易影响滤波器的精度。(6)开关电容型滤波器得到广泛应用的最重要原因在于它的使用灵活方便性。一般LC滤波器和RC滤波器设计过程非常繁复，通常需要精密的分立元件，并且调试非常困难。滤波器的性能指标稍有改变，则必须从头开始选择合适的分立元件值。另外这样的滤波器设计周期也较长。一样的性能指标如用开关电容型滤波器来实现就要简单得多。我们只需在众多的开关电容型滤波器芯片中选择合适的一种，并加上适当的时钟频率即可。许多新近面世的通用性好的开关电容型滤波器芯片可用程序控制，滤波器特性的改变可在瞬间完成。2.5.3集成开关电容型滤波器电路的类型和功能简介

25、近年来随着开关电容型滤波器市场需求的增加，生产厂家和产品品种日益增多。目前市场上开关电容型滤波器产品品种繁多，并不断有新的产品问世。如果从使用的角度对开关电容型滤波器产品进行划分的话，一般的开关电容型滤波器可分成专用滤波器和通用滤波器两大类。1专用开关电容型滤波器在许多专用集成电路中，开关电容型滤波器只是其中的一部分，用户并不能直接使用；另外的一些开关电容型滤波器芯片是针对某一特定的应用领域而专门设计的，用户一般不能对此类专用开关电容型滤波器的特性重新设置，此类滤波器在通讯中应用广泛。2通用开关电容型滤波器与专用型开关电容型滤波器相比，通用型开关电容型滤波器能侈适应用户对滤波器特性的特定要求。

26、用户可用一定的方法来改变开关电容型滤波器的参数从而使开关电容型滤波器能满足一定的指标要求，选用不同的参数可得到不同的滤波特性。通用型开关电容型滤波器可进一步分为两类，预构型开关电容型滤波器和多用型开关电容型滤波器。(1)预构型开关电容型滤波器每一类预构型开关电容型滤波器实现一种专门类型(巴特沃斯低通、切比雪夫高通等)的滤波器。在通用型开关电容型滤波器中，预构型开关电容型滤波器的使用最为方便。滤波器不需要外接的分立元件，用户只需提供一个时钟信号来设置滤波器的转折频率。预构型开关电容型滤波器的一个典型例子是Exar公司的XR1001/8系列产品。这类产品都是8个引脚，分别提供四阶巴特沃斯低通、椭圆

27、函数低通和切比雪夫低通滤波。滤波器最大的截止频率可达40kHz。时钟频率与转折频率之比固定为50：1或100：1。片有振荡器，因此用户既可选择外时钟也可选择时钟来设置截止频率。NationalSemiconductor公司的LMF90提供一个衰减为30dB的陷波滤波器。时钟和转折频率之比为50：1或100：l。因此仅需在片子上外加一个时钟源就可滤除信号中的基频和二次、三次谐波。(2)多用型开关电容型滤波器预构型开关电容型滤波器只能完成一种类型的滤波形式，因此通用性不强。而多用型开关电容型滤波器芯片可实现各种类型的滤波形式。也即说，同一块芯片可用来实现巴特沃斯、切比雪夫或椭圆函数滤波，滤波方式可

28、设计为低通、高通、带通等。这样的开关电容型滤波器显然具有很大的灵活性。按照滤波理论，任意的滤波频响特性可由多个二阶节的串联或并联来组成。所以二阶节是滤波器中的基本单元。多用型开关电容型滤波器包含了二阶节的有源部分。一般每个芯片包含一个或数个二阶节。多个二阶节串联起来就组成了高阶滤波器。多用型开关电容型滤波器从常见编程的类型来分可分为：电阻可编程、引脚可编程两种(目前另一种新型处理器可编程开关电容型滤波器即将登陆国市场)： 电阻编程开关电容型滤波器电阻编程开关电容型滤波器包含了二阶节的有源部分。用户需要在合适的引脚上加反馈电阻以提供合适的反馈通道。在所有开关电容型滤波器中电阻编程开关电容型滤波器

29、提供了最大的灵活性。改变这类开关电容型滤波器中反馈电阻的数值，滤波器中心频率和值都可得到精密控制，同时也控制了滤波器频响特性的类型(切比雪夫、巴特沃斯等)。除了提供50：1和100：l的标称时钟截止频率比以外，用户可通过改变反馈电阻以获得需要的频率比。每个二阶节都有低通、高通、带通、带阻和全通输出端，用户可根据需要选择一端作为输出。但是这类器件要获得特定的频率特性，反馈电阻的数值计算比较复杂。而一般一个二阶滤波器需三到六个反馈电阻。所以组成高阶滤波器时需接多个反馈电阻。 引脚编程开关电容型滤波器电阻可编程开关电容型滤波器过去一直是开关电容型滤波器市场的主流产品。直到美国Maxim公司的Max2

30、60系列的引脚或处理器可编程开关电容型滤波器面世，这一局面才被打破。电阻编程开关电容型滤波器虽然灵活性强，但不易使用引脚编程开关电容型滤波器和下面的处理器编程开关电容型滤波器是灵活性和使用方便性的折衷。这两类产品以开关电容替代了原来所需的外接反馈电阻。在芯片开关电容排列成一排，因此用数字控制的方法可改变开关电容的并联数目，从而改变等效的反馈电阻值，以改变滤波器频率特性，但是控制精度受到了芯片提供的控制位数目的限制。第三章 程控滤波器总设计方案论证3.1 程控滤波器设计总体思路介绍针对滤波器的程控方案设计大致有如下几种设计方案可以考虑。方案一：使用设计模拟有源滤波器的方法并辅以可程控数字电位器达

31、到程控的目的。具体方案如下：利用设计模拟有源滤波器的方法，设计一系列所需滤波器以满足需求，并通过利用可程控数字电位器代替传统定值电阻器。利用MCU控制数字电位器，从而改变模拟有源滤波器的性能指标，达到相应程控滤波的目的。该方案的特点是成本低廉，实现起来比较简单，而且模拟滤波器设计相对成熟，易于设计实现。但是数字电位器精度不是很高而且相对误差不固定，有源滤波器的滤波参数与待调数字电位器的阻值往往不是呈线性关系，因此会给系统带来较大的误差。方案二：使用FPGA设计数字FIR滤波器，再由D/A输出为模拟信号。具体方案如下：利用数字滤波器的设计思路，首先使用A/D对输入信号进行数字化，再经由FPGA进

32、行FFT变换、FIR滤波，最后由D/A输出模拟信号，需要时输出级辅以RC平滑滤波。该方案不仅具有很高的精度，而且滤波器参数设计极为灵活，不仅能方便调节滤波器的各种参数，甚至连滤波器种类、阶数等都可以方便调节功能极其强大。但是整套设计成本太过昂贵，且实现较为复杂，对硬件知识以与软件编程要求较高。方案三：使用专门的集成开关电容型滤波器应用于所需的设计中。具体方案如下：利用开关电容原理制成的集成滤波器芯片，可由外部振荡器控制开关电容的频率达到改变滤波参数的目的。可以利用可程控信号发生器代替外部固定频率时钟输入，以实现滤波参数的可控。该方案整套设计成本低廉，电路相对简单且使用集成芯片，因此性能稳定.且

33、具有较高精度，滤波参数调节通过MCU控制，较为方便。通过如上的几组设计比较可以得出使用专用的集成开关电容型滤波器来设计程控滤波器较为理想，可实现达到所需精度下的快速开发的特点，故本课题采用方案三，如下将对方案三具体设计做如下论证。3.2 基于MAX262的程控滤波器设计方案论证本课题由电源模块、MCU控制器模块、显示模块、键盘控制模块、时钟产生模块、程控滤波器模块组成，具体关系详见下图3-1所示。图3-1 系统硬件总框图下面着重几个模块论证上述模块的设计方案。3.2.1时钟产生模块的论证与选择实际时钟产生模块需要产生相应10Hz-14MHz按相应步进加减可调时钟按(或固定时钟信号)，以配合MA

34、X262正常工作；对于时钟信号的产生，可选方案如下：方案一：测试方案，即选择外置信号发生器接入，此方案仅限于滤波模块测试使用，具体设计如下图3-2所示：图3-2 MAX262滤波器模块测试图值得注意的是输入信号为TTL电平的时钟信号(占空比是否为50%并不重要)。方案二：产生固定时钟方案，具体设计如下：(1)使用固定晶振方案，即使用输入允许频率围的有源晶体振荡器，具体设计如下图3-3所示： 图3-3 MAX262滤波器模块接入时钟使用固定晶振方案图利用MAX262片整形起振电路，即可使接入有源晶体振荡器产生所需的时钟，此种方案使用方法相对简单，成本较低，但接入频率固定，有源晶体振荡器较RC元器

35、件误差较小，产生频率相对稳定。(2)使用振荡RC网络方案，具体设计如下图3-4所示： 图3-4 MAX262滤波器模块接入时钟使用RC振荡网络方案图利用MAX262片整形起振电路，即接入RC振荡网络产生所需的时钟，此种方案使用方法教简单，成本最较低，但接入频率固定，而且RC元器件有误差，产生频率不稳定。方案三：产生可调时钟方案，具体设计如下：(1)使用以DDS模块AD9850产生相应所需频率可调正弦波，辅以整形电路产生相应时钟即可。(2)使用FPGA对其固有时钟进行可编程分频，产生所需时钟。 综上所述，时钟模块选用方案三，兼顾成本与实际需求，故采用方案三(1)，即采用DDS集成芯片AD9850

36、辅以相应整形电路产生步进可调时钟。AD9850模块使用40M有源晶体振荡器充当起振时钟，在此条件下DDS模块理论可产生正弦波最大不失真频率为20MHz(参照AD9850模块部分)，故可满足实际设计要求。3.2.2程控滤波器模块的论证与选择本课题针对使用MAX262作为程控滤波器芯片，控制时注意供电方式即可：MAX262提供多种供电方式，即使用单电源或双电源供电，不同供电方式对输入信号滤波效果不同。(1)使用8051架构MCU控制时，选用5V双电源供电。(2)使用FPGA的NIOSII32位控制时，选用3.3V双电源供电。综上所述，选择程控滤波器模块的供电模式与具体选择MCU类型有关，满足实际设

37、计要求即可，本方案采用8051架构MCU，故选用5V双电源方式给程控滤波器模块供电。3.2.3键盘模块的论证与选择实际键盘模块需要为程控滤波器模块提供两位加/减步进频率按键，以配合MAX262滤波中心频率调整；对于键盘模块设计，可选方案如下：方案一：由4*4矩阵键盘组成键盘模块。此种方案占用8位I/O口，较为浪费I/O口资源，但后期维护与功能拓展较为方便。方案二：由2位独立键盘组成键盘模块。此种方案占用2位I/O口，资源占用较为合适，并使用低有效的方式接入，性能稳定，完全可以满足设计要求。结合实际设计要求，从简化系统电路连接的角度看较为实用。方案三：由STC12C5A60S2系列MCU置ADC

38、模块加以2位独立键盘与电阻组成键盘模块(仅占1位I/O口)，即通过不同电阻值量化判断哪位被按下触发。此种方案占用1位I/O，最为节省I/O口,但频繁调用MCU的ADC模块，使用MCU处理负担增加，并增加编程负担(移植性不好)，削弱系统稳定性。综上所述，键盘模块选用方案二，即使用2位独立键盘组成键盘模块。3.2.4 MCU控制模块的论证与选择实际MCU控制模块需要足够I/O口，以协调其他模块的间的通信；对于MCU控制模块设计，可选方案如下：方案一：选用51架构MCU组成MCU控制模块。此种方案利用8位MCU，结合实际设计要求，从简化系统电路与成本的角度看较为实用。方案二：选用DSP组成MCU控制

39、模块。此种方案性能稳定，但性价比较低。方案三：选用FPGA(NIOS2软核)组成MCU控制模块。使用FPGA生成32位NIOS2处理器并将时钟生成模块生成与同一FPGA芯片，系统稳定性强，开发周期短，易于实现SOPC片上系统，但设计较为复杂，故不采用。综上所述，考虑开发时间和成本控制模块选用方案一，即使用8位STC12C5A60S2系列MCU。3.2.5显示模块的论证与选择实际显示模块需要实现美观的人机交互模式，使用I/O口数量；对于显示模块设计，可选方案如下：方案一：选用LCD1602组成显示模块。此种方案利用LCD1602液晶显示器，只有并行接入方式其占用I/O口较多，且不能显示汉字点阵字

40、模，成本较为适中，但显示区域较小只为16行2列，每个字符大小为58像素，没有绘图模式，显示不灵活。方案二：选用LCD12864组成显示模块。此种方案利用LCD12864液晶显示器的串行接法，I/O口资源占用较为合适，最小使用2位I/O口(SPI模式)，性能稳定，完全可以满足设计显示汉字字模的要求，并可以开启绘图模式，支持自定义字符，从简化系统电路连接的角度看较为实用。方案三： 选用多位数码管组成显示模块。此种方案占用I/O口较多且电路复杂，但成本最低。综上所述，考虑开发时间和成本控制模块选用方案二，即使用LCD12864组成显示模块。3.2.6电源模块电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为

41、整个系统提供5V，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压集成芯片实现，故不作详述。第四章 系统硬件设计与实现实现滤波器系统对硬件设计与实现方法要求较为苛刻，设计时必须从多方面因素考虑，经过实际测试与验证发现，滤波器系统极易受到电磁干扰。故硬件设计时必须十分注意各种信号的干扰，本章将分模块具体介绍硬件设计方案。4.1 MCU控制器模块设计与实现4.1.1STC5A60S2系列芯片简介STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。部集成MAX

42、810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250kHz)，可直接应用于电机控制与强干扰场合，具体与如下特点：1. 增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。2. 宽工作电压：3.3V-5.5V。3. 工作频率围：0 - 35MHz(相当于普通8051的0420MHz)。4. 工作温度围：0 - 75(商业级)。5. 多种封装：PDIP-40，LQFP-44，LQFP-48。6. 片上集成ROM/FLASH62K字节，片上集成RAM1280字节。7. PDIP封装通用40个I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉。I/O口可程控设置成四种模式：准

43、双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O 口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA。8. ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片。9. 芯片置硬件看门狗并且部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地)。10. 三种时钟源：外部高精度晶体、时钟与部R/C振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。常温下部R/C振荡器频率为： 11MHz 15.5MHz。当精度要求不高时，可选择使用部时钟

44、，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。11. 共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T 输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟。外部中断I/O 口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4,T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置

45、到P4.2), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)。12. PWM/PCA (2 路)可用来当2 路D/A、2个定时器或2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)使用。13. A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250kHz。14. 通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA 软件实现多串口。4.1.2 STC5A60S2系列单片机引脚说明本课题采用40Pin封装的双列直接DIP结构芯片，40个引脚中，正电源线和地线共两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，其他功能I/O口见下图4

46、-1所示：图4-1 STC5A60S2系列单片机引脚图4.1.3MCU控制器模块原理图本课题设计的MCU控制器模块实际电路原理图如下图4-2所示：图4-2 MCU最小系统原理图4.2 UI界面模块设计与实现4.2.1 显示模块设计与实现4.2.1.1 液晶显示器LCD12864简介带中文字库的LCD128X64是一种具有4位/8位并行、SPI(串行)多种接口方式，部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 置8192个1616点汉字，和128个168点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示

47、84行1616点阵的汉字，也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于一样点阵的图形液晶模块，故较为实用。4.2.1.2 液晶显示器LCD12864主要管脚说明本课题采用20Pin封装的单列LCD12864接口双列，引脚功能见下表4-1所示：表4-1 LCD12864管脚功能描述管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC+5V电源正3V0-对比度(亮度)调整4RS(CS)H/LRS=“H”,表示DB7DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7DB0为显示指

48、令数据5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式(见注释1)16NC-空脚17RESETH/L复位端，低电平有效(见注释2)18VOUT-LCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端(+5V)(见注释3)20KVSS背光

49、源负端(见注释3)4.2.1.3 显示模块原理图本课题设计的显示模块实际电路原理图如下图4-3所示：图4-3 显示器LCD1286 SPI模式原理图使用LCD12864的SPI接法实现显示模块的最小占用MCU的I/O口设计方法，具有一定推广意义。4.2.2 键盘控制模块设计与实现4.2.2.1键盘控制模块原理图本课题设计的键盘控制模块使用低有效的设计方案，具体实现如下图4-4所示：图4-4 键盘模块原理图4.3 时钟产生模块设计与实现4.3.1 DDS芯片AD9850简介AD9850是AD公司采用先进的CMOS技术生产的直接频率合成器(DDS)，其最高接入时钟频率为125 MHz，由可编程DD

50、S系统、高性能模数变换器(DAC)和高速比较器三部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成，并具有时钟产生功能。AD9850的DDS系统包括相位累加器和正弦查找表，其中相位累加器由一个加法器和一个32位相位寄存器组成，相位寄存器的输出与外部相位控制字(5位)相加后作为正弦查找表的地址。正弦查找表实际上是一个相位/幅度转换表，它包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0360围的一个相位点。查找表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动10bit的DA变换器，输出2个互补的电流，其幅度可通过外接电阻进行调节。AD9850还包括一个高速比较器，将DA变换器的输出经外部低通滤

51、波器后接到此比较器上即可产生一个抖动很小的方波，这使得AD9850可以方便地用作时钟发生器。AD9850包含40位频率/相位控制字，可通过并行或串行方式送入器件。4.3.2DDS芯片AD9850引脚说明本课题采用28脚SSOP 封装的芯片，具体引脚图如下图4-5所示：图4-5 时钟产生模块原理图4.3.3 时钟产生模块原理图本课题设计的时钟产生模块实际电路原理图如下图4-6所示：图4-6 时钟产生模块原理图4.4 程控滤波器模块设计与实现4.4.1程控滤波器芯片MAX262简介MAX262是一种使用CMOS制作工艺，兼有双二阶通用开关电容型有源滤波器特性，可由微处理器精确、独立控制滤波函数产生

52、相应带通、低通、高通、带通和全通配置的滤波器，并且不需要添加外部元件即可使用。每片产品含有两个独立的二阶滤波器，其均可在微处理器的系统程序设置其中心频率、品质因数和滤波器所处工作方式的相应控制状态字，已达到相应控制目的，进而实现不同选型的滤波器相应滤波功能。输入时钟频率与6位(的比值)中心频率控制状态字一起决定滤波器的中心频率(或截止频率)，其控制独立不影响其它滤波参数；同理，每个滤波器的品质因数(值)也可由独立的7位品质因数控制状态字来控制。每个滤波器的独立时钟输入端可以由晶振、RC网络或外部时钟产生器来实现时钟输入。4.4.2程控滤波器芯片MAX262引脚说明本课题采用24脚SOP封装的芯

53、片，具体引脚图如下图4-7所示：图4-7 MAX262的引脚排列图引脚功能具体见下表4-2所示： 表4-2 MAX262引脚说明MAX262引脚名称功能9正电源电压输入端。16负电源电压输入端。17模拟地。对双电源工作接到系统地；对单电源工作接到1/2电源电压。在单电源应用中.GND端应很好地旁路。11滤波器A部分时钟输入端与外接晶体振荡器输入端。此时钟在部被二分频。12滤波器B部分时钟输入端。此时钟在部被二分频。8晶体振荡器和RC振荡器工作的时钟输出端。18振荡器输出端。与晶体振荡器或R-C振荡器相连，可用于自同步。5,23滤波器信号输入端。1,21带通滤波器输出端。24,22低通滤波器输出

54、端。3,20高通/陷波/全通滤波器输出端。15写允许输入端。当电平有效，即数据端可以写入以完成滤波器的与、工作模式的设置。此外，还可以接收TTL电平信号，并且上升沿可锁存输入数据。14,11,10,7地址输入端。完成对滤波器工作模式、和的相应设置。13,6数据输入端。完成对滤波器工作模式、和的相应设置。2MAX262运算放大器的输出端。4MAX262运算放大器的反向输入端(同相输入在部连接到地)。设计使用MAX262时，当接入时钟频率1.2MHz时选择模式2(或模式3)，值的误差比较小；反之，选择模式1(或模式4)，值的误差比较小；当接1.7MHz时选择模式2(或模式3)，的误差比较小；反之，

55、选择模式1(或模式4)，的误差比较小。综上所述，可以得出1.2MHz时选择模式2(或模式3)，反之，选择模式1(或模式4)滤波系统相对精确。4.4.3程控滤波器模块原理图本课题设计的程控滤波器模块实际电路原理图如下图4-8所示：图4-8 程控滤波器模块原理图实际使用MAX262时其输入阻抗比较大(=250M)，并且信号输入端对地约有5pF固定电容，一般不需要匹配输入阻抗。同时，在控制滤波器实现相应滤波特性的同时，写入滤波器数据端和地址端的信号也会产生相应的噪声，故相应信号线可以用锁存器缓冲相应写入信号的突变改善滤波效果，实际电路原理图如下图4-9所示：图4-9 程控滤波器模块锁存器缓冲模块原理图滤波器系统另一个必须考虑的问题就是开关电容型滤波器滤波特性比较偏向数字滤波器，即输出波形为台阶状的信号，并且输出波形的阶梯状以部采样速率出现，消除此现象可使用一级单级点平滑滤波器(处)消除，实际电路原理图如下图4-10所示：图4-10 程控滤波器模块锁存器缓冲模块原理图当设计多级滤