基于单片机程控滤波器设计毕业设计.doc
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1、基于单片机程控滤波器设计摘 要IABSTRACTII第1章 前 言11.1滤波器的概述11.2 滤波器的作用21.3滤波器的应用场合21.4滤波器的发展阶段31.5 本文所研究的内容3第2章 滤波器结构及芯片介绍52.1滤波器的结构52.1.1 根据滤波器的特性和应用场合其结构形式52.1.2 滤波器的结构演变52.2滤波器的设计82.3 AT89S52单片机的介绍82.3.1主要性能82.3.2功能特征描述92.3.3引脚功能92.3.4存储器结构122.3.5 定时器122.3.6 波特率发生器142.3.7 可编程时钟输出152.4 DAC0832的介绍152.4.1主要特性参数162.
2、4.2 DAC0832的结构及其引脚功能162.4.3 DAC0832实现A/D转换及它的工作方式17第3章 系统方案与理论计算193.1 系统方案的论证与选择193.1.1放大电路的选择193.1.2 滤波电路的选择193.1.3 总体方案193.2 理论分析与计算203.2.1 放大电路203.2.2 低通、高通滤波电路参数21第4章 电路与程序设计234.1 程控放大器的设计234.1.1 单片机控制电路234.1.2 放大电路244.2 滤波器电路的设计244.2.1 数字电位器控制电路244.2.2. 低通滤波电路254.2.3 高通滤波电路264.2.4 四阶椭圆低通滤波电路274
3、.3 LCD显示的设计284.4 软件的设计29第5章 测试分析以及结果总结305.1 放大电路的测试305.1.1 静态测试305.1.2 动态测试305.2 滤波电路的测试305.3 结果分析31第6章 结 论32致 谢33参考文献34毕业设计小结35附 录36摘 要滤波是数据采集、信号处理和通信系统等领域必不可少的重要环节, 如A/D转换前的“限带抗混叠滤波” 和D/A转换后的“平滑滤波”。在信号频率动态范围较宽的场合, 设定固定截止频率的滤波技术已很成熟, 但在许多工程应用领域,信号频率的动态范围往往很宽, 其信号频率在几赫兹到几千赫兹之间。因此, 就有必要采用多种截止频率的滤波器,
4、采用程控滤波法对频率动态范围较宽的信号进行滤波。以AT89S52单片机作为控制核心,设计一个高性能的程控滤波器。放大电路采用由单片机AT89S52、DAC0832和集成运放组成的程控放大电路,可实现对放大器增益的设置,同时实现增益的步进可调,增益变化范围为060 dB;显示部分采用OCM216字符点阵系列模块,以实现设置参数显示功能;低通选用二阶低通贝赛尔滤波电路,高通采用压控二阶高通滤波电路,选用x9312数字电位器来控制截止频率,在120 kHz可调。经实验调试,较好地实现了预定的功能,系统的可靠性和性价比较高。关键词:单片机, 程控放大电路, 贝赛尔滤波器, 数字电位器ABSTRACTI
5、s based on data collection and signal processing and communications systems for the important link in the field, such as a d change the immunity folded up with the filter and d a smooth transition of the signal frequency filtering. in a wide, setting a fixed by the frequency filtering technology was
6、 very crude, but in many areas of project application, the signal frequency is often wide range, the signal frequency in several cycles to several thousand between cycles. Therefore, it is necessary to adopt various by the frequency of the filter, the use of controlled based on a wide frequency filt
7、ering. SignalThe system AT89S52 as the control core,design a highperformance programmable filter Amplifier circuit compose of AT89S52,DAC0832 and integrated opamp amplifier circuit program contr01It realize on the amplifier gainsettings,and achieve the gainstep adjustment from 0 dB to 60 dBLCD modul
8、e using the OCM216 of dotmatrix characters display the setting parameters Lowpass filter use lowpass Bessel filter circuit Highpass filter use voltage controlled voltage source second-order highpass filter circuit Using X9312 digital potentiometer control cutoff frequency from 1 kHz to 20 kHz The ex
9、periment to debug the system to better achieve predetermined functions The higher system reliability and costeffectiveKEY WORDS:SCM,program controlled filter, bessel filter , digital potentiometer第1章 前 言1.1滤波器的概述滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。主要作用是:让有用信号尽可能无衰减的通过,对无用信号尽可能大的衰减。滤波器一般有两个端口,一个输入信号、一个输出信号,利用这个特性可以
10、将通过滤波器的一个方波群或复合噪波,而得到一个特定频率的正弦波。滤波器是由电感器和电容器构成的网路,可使混合的交直流电流分开。电源整流器中,即借助此网路滤净脉动直流中的涟波,而获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器,是由一个电容器和一个电感器构成,称为L型滤波。所有各型的滤波器,都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成,串联臂为电感器,并联臂为电容器。在电源及声频电路中之滤波器,最通用者为L型及型两种。就L型单节滤波器而言,其电感抗与电容抗,对任一频率为一常数,其关系为 = (1-1)故L型滤波器又称为K常数滤波器。倘若一滤波器的构成部分,较K常数型具有较尖锐
11、的截止频率(即对频率范围选择性强),而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者,称为m常数滤波器。所谓截止频率,亦即与滤波器有尖锐谐振的频率。通带与带阻滤波器都是m常数滤波器,m为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的函数。每一m常数滤波器的阻抗与K常数滤波器之间的关系,均由m常数决定,此常数介于01之间。当m接近零值时,截止频率的尖锐度增高,但对于截止频的倍频之衰减率将随着而减小。最合于实用的m值为0.6。至于那一频率需被截止,可调节共振臂以决定之。m常数滤波器对截止频率的衰减度,决定于共振臂的有效Q值之大小。若达K常数及m常数滤波器组成级联电路,可获得尖锐的滤波作用及良好的频率衰减。
12、1.2 滤波器的作用滤波器,顾名思义,是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念,在电子技术领域,“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用,被转换为电压或电流的时间函数,称之为各种物理量的时间波形,或者称之为信号。因为自变量时间是连续取值的,所以称之为连续时间信号,又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。随着数字式电子计算机(一般简称计算机)技术的产生和飞速发展,为了便于计算机对信号进行处理,产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说,可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的
13、样本值表达原始信号而不丢失任何信息,波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化,自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播,靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变,有时,甚至是在相当多的情况下,这种畸变还很严重,以至于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。 滤波,本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。1.3滤波器的应用场合滤波器在电子领域中占有很重要的地位,在其他领域中也相当重要,因此它的应用范围很广,在信号处理,抗干扰处理,电力系统,抗混叠处理等等领域中应用很广。滤波器不
14、仅在弱电系统中有很广的应用,在强电系统中也有相当广的应用,在强电整流中需要将尖峰脉冲滤除,在可控硅脉冲环节,要防止误脉冲,因此我们也要加防干扰的滤波电路。1.4滤波器的发展阶段电容滤波器是由电路元件相互连接构成的一种选频网络。从1915年Wagner和Campbell分别首次提出滤波器的概念以来,滤波器经历了无源分立RLC元件、集成线性元件/混合集成电路和单片全集成电路的发展历程,取得了长足的进步。随着滤波器理论的发展,特别是1977年美国加州大学Berkeley分校的学者组成的研究小组集成了第一片单片MOS开关电容滤波器,开关电容滤波器成为了滤波器理论中十分活跃的分支,受到了电路理论工作者和
15、集成电路设计者的广泛关注。 开关电容滤波器(SCF)电路其核心部分由模拟开关、电容器和运算放大器组成,其传输函数系统特性取决于电容容量比的准确性,易于用MOS工艺实现。因此,70年代末,MOS工艺发展迅速,MOS器件在速度、集成度、相对精度控制和微功率等方面都有独特的优势,为开关电容滤波器电路的迅速发展提供了很好的条件。 国际上,70年代末至80年代中是SCF大发展时期,完成了从原理、结构探讨至工业化过程,并被广泛应用于通讯等领域。国内在70年代末至80年代初,高校与研究所亦对SCF开发投入了大量人力物力,取得不少成果。进入90年代后期,高水准工艺线在国内陆续建成,急需系统的开关滤波器设计、分
16、析技术,以便设计具有我国自主知识产权的电子产品。目前,开关电容滤波器正向着集成度更高,功耗更低以及精度更好的方向发展,出现了很多的新方法来设计低电压、低功耗、低电容比和运放增益灵敏度的SC滤波器。而随着开关电容滤波器设计技术的日加成熟,开关电容滤波器的应用也更加广泛.从无限通讯到视频应用,再到集成电路设计,开关电容滤波器都越来越多的发挥着重要的作用。1.5 本文所研究的内容本文主要研究的内容:第一章 前言部分介绍了滤波器的概述,给出了滤波器的作用、主要应用场合以及发展阶段。第二章 介绍了滤波器的结构,设计,对本程控滤波器设计的主要芯片AT89S52的主要性能、功能特征、引脚、存储器结构、定时器
17、、滤波器发生器、可编程时钟输出以及芯片DAC0832的主要特性参数、结构引脚和它的工作方式等进行了详细的介绍。第三章 对设计的系统方案进行了比较与选择,其中包括放大电路与滤波电路的选择。放大的电路通过比较选择了用OP07和A74l作为放大器件实现三级放大,程控增益电路通过单片机控制DAC0832实现模拟量输出。滤波电路采用数字电位器和二阶贝赛尔有源滤波电路。介绍了总体方案是以单片机为数据处理的核心,将设计任务分为放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、LCD显示、操作面板等模块。并对方案进行了理论分析与计算。第四章 具体的介绍了系统电路与程序的设计,包括放大电路、滤波电路以及LCD显示与软件的设
18、计。第五章 对测试方案与测试结果进行了分析,总结性的阐述了论文的优缺点。第六章 结论。第2章 滤波器结构及芯片介绍2.1滤波器的结构从滤波的概念出现后,滤波器就开始登上电子的平台,滤波器的结构也经历了多次演变。2.1.1 根据滤波器的特性和应用场合其结构形式(1) 从功能上分:低、带、高、带阻。 (2) 从实现方法上分:FIR、IIR (3) 从设计方法上来分:切比雪夫、巴特沃斯、贝塞尔滤波 (4) 从处理信号分:经典滤波器、现代滤波器(5) 信号形式分:数字滤波,模拟滤波(6) 从利用的元件分:有源滤波器,无源滤波器2.1.2 滤波器的结构演变(1) 无源滤波器包括无源电容滤波器,无源电感滤
19、波器,无源电感电容混合滤波器以及利用其他电子元件构成的滤波电路(例如,用二极管,三极管等等构成的检波电路如图)图1.1 滤波器的基本结构(2) 有源滤波器的结构组成:由无源的电感,电容组成滤波网络加上有源的运放芯片,其结构如下:图1.2 有源滤波器结构这是一个典型的二阶有源低通滤波器,其工作原理在这里不详细介绍了。(3) 开关电容滤波器的结构组成:有由MOS电容、开关和运放组成。其基本结构如下:图1.3 开关电容结构图开关电容滤波器的基本原理是,电路的两节点间接有带高速开关的电容器,其效果相当于该两节点间连接一个电阻。图中、用一个不重叠的两相时钟脉冲来驱动,假定时钟频率 (=1/) 远高于信号
20、频率,那么,在为高电平时,导通而截止此时与输入信号相连,即有: (1-2) 而在为高电平时,截止,导通。于是,转接到运放的输入端,此时,放电,将原来所充电荷Q传输到上。由此可见,在每一时钟周期内,从信号源中提取的电荷Q=供给了积分电容。因此,在节点1、2之间流过的平均电流为 (1-3)如果足够短,可以近似认为这个过程是连续的,因而由上式可以在两节点间定义一个等效电路,即 (1-4) (1-5)这样,就可以得到一个等效的积分时间常数 (1-6)显然,影响滤波器频率响应的时间常数取决于时钟周期和电容比值/,而与电容的绝对值无关。在MOS工艺中,电容比值的精度可以控制在0.1%以内。这样,只要选用合
21、适的时钟频率(如=100kHz)和不太大的电容比值(如10),对于低频率应用来说,就可获得合适的时间常数(如104s)(4) 数字信号软件滤波:这是利用软件处理信号的手段,利用滤波算法(限副滤波,中位值滤波法,算术平均滤波法,递推平均滤波法,中位值平均滤波法,限幅平均滤波法,一阶滞后滤波法,加权递推平均滤波法,消抖滤波法,限幅消抖滤波法)来对信号进行处理。2.2滤波器的设计滤波器特性可以用其频率响应来描述,按其特性的不同,可以分为低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器和带阻滤波器等。用来说明滤波器性能的技术指标主要有:中心频率,即工作频带的中心,带宽BW,通带衰减(即通带内的最大衰减)阻带衰减。对
22、于实际滤波器而言,考虑到实际的组成元件的品质因数的取值是一有限值(因为受限于材料与工艺的水平),所以所有工程上的实用滤波器都是有损滤波器,因此对于这些滤波器还应考虑通带内的最小插入衰减。现代滤波器设计,多是采用滤波器变换的方法加以实现。主要是通过对低通原型滤波器进行频率变换与阻抗变换,来得到新的目标滤波器。2.3 AT89S52单片机的介绍2.3.1主要性能(1) 与MCS-51单片机产品兼容(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器(3) 1000次擦写周期(4) 全静态操作:0Hz33Hz(5) 三级加密程序存储器(6) 32个可编程I/O口线(7) 三个16位定时器/计数器(8) 八个
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- 基于 单片机 程控 滤波器 设计 毕业设计

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