程控滤波器Word格式.docx

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数字电位器 

本系统以MSP430G2553单片机为控制核心，利用开关电容技术实现程控滤波的功能。

1.方案论证

根据题目要求，我们分以下三部分进行方案设计与论证

1、主控单元

方案一：

采用80C51系列单片机，虽然我们对其比较熟悉，能够熟练的对它进行编程运用，但是它不是TI公司的产品。

方案二：

采用MSP430G2553单片机。

它中断资源丰富，而且内置了在线仿真、编程接口，可方便地实现在线调试。

经过比较后采用方案二。

2、放大器部分

程控放大器的增益，一般有两种途径，一种是改变反相端的输入电阻，另一种是改变负反馈电阻阻值。

采用模拟开关或继电器作为开关，构成梯形电阻网络，单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而改变放大器的增益。

此方案的优点在于简单，缺点是电阻网络的匹配难以实现，调试很困难。

用DAC的电阻网络，改变电阻的方法，电流输出型DAC内含R-2R电阻网络，可以作为运放的反馈电阻或输入电阻，在DAC输入数据的控制下，实现放大器增益的程控改变。

该方案的优点无需外接精密电阻，增益完全由输入的数字量决定，就可以对信号进行放大或衰减，使用方便；

缺点是信噪比较低，通频带较窄。

方案三：

非易失性数字电位器改变电阻，克服了模拟电位器的主要缺点，无噪声，寿命长，阻值可程控改变，设定阻值掉电记忆。

该方案优点是增益范围宽，占用μP口少，成本低。

通频带取决于运放的通频带。

方案四：

直接用运放构成放大电路，通过按键选择不同的电阻阻值，以实现步进可调的放大功能。

在本题中，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通频带为100Hz～40kHz，放大器输出电压无明显失真。

我们选择方案四，方案四结构简单，可操作性强，失真较小，原理简单。

3、滤波器部分

采用模拟开关或继电器作为开关，切换不同的RC组合来改变截止频率，优点是电路简单，缺点是电阻网络的匹配难以实现，调试很困难适合截止频率调节档位较少的滤波器。

固定电容C，采用非易失性数字电位器改变电阻的数值，从而改变截止频率。

优点是电路简单，缺点数字电位器是分档调节，不能实现电阻的连续可调。

根据题目要求低通滤波器在2fc处，高通滤波器在0.5fc处，放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB，我们选用四阶电压控制滤波器。

在此我们选择方案二，我们可以通过改变RC电路的中C来匹配数字电位器，且数字电位器是由单片机来控制，可操作性强，技术先进，完成后的成品操作简单，高度智能。

2.系统硬件设计

2.1系统的总体设计框图

图2程控滤波器结构框图

本系统以MSP430G2553单片机作为主控单元，将设计任务分为放大器，低通滤波器，高通滤波器，人机接口单元等功能模块。

放大器用LM324和不同电阻组成的放大电路构成。

我们通过选择按键来控制放大器放大倍数。

滤波器在单片机控制信号作用下在低通，高通，两种工作方式的切换。

低通和高通滤波电路采用数字电位器，电容和运算放大器组成，单片机通过控制数字电位器接入电路的阻值，来实现截止频率的调节。

本系统还设计了良好的人际交互接口，实现了键盘处理，液晶显示等功能。

2、2单元模块设计

（1）放大器模块设计

放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，对于毫伏级的信号放大一般要采用具有高共模抑制比、高精度、高输入阻抗的测量放大器。

放大器电路采用LM324和不同的电阻组成。

经过组合步进达到10DB的要求，所以放大倍数也被控制在一个很精确的范围。

电阻的阻值与DB的对应关系：

从上到下对应的分贝是0db、10db、20db、30db、40db

2.2. 

1放大器电路设计

我们采用两级级放大，具体电路图如图2.2：

（2）滤波器模块设计

2.2.2滤波器电路设计

现以低通滤波电路设计为例说明。

对于四阶低通滤波电路，

图2.3

由于在本次题目中我们用到了较高的20KHZ的频率，故此，我们采用了四阶的滤波器来完成滤波，四阶滤波器能在截止频率附近较好的完成滤波，其滤波曲线也能满足题目所给的其-3DB截至频率在1K--20K可调，2FC出放大器与滤波器的总电压增益不大于30DB的要求。

我们采用的是RC结构的四阶滤波电路。

低通滤波时：

根据四阶的低通滤波函数，在大于截止频率fc时，幅频特性曲线以40/10f速度下降，所以在2fc处的增益为-12.04dB。

再加上放大器的40dB增益，总增益为27.96dB，达到了题目小于30dB的要求。

高通滤波时：

根据四阶的高通滤波函数，在小于截止频率fc时，幅频特性曲线以40/10f速度上升，所以在0.5fc处的增益为-12.04dB。

再加上放大器的40dB增益，总增益为27.96dB，也达到了题目小于30dB的要求。

在电阻的选取上，我们采取了数字电位器取代电阻的方案。

通过调整数字电位器的阻值来改变其截至频率，其原理图如下：

在这里我们采用单刀双掷开关选择高通滤波还是低通滤波，经过测试发现，低通滤波和高通滤波都能很好的完成它的作用。

3、显示模块设计：

我们采用TI公司的MSP430g2553单片机开发板，用数字电位器实现步进可调，用1602液晶显示屏显示出设置的参数：

在确立程序流程之后，下一步工作就是分析采用怎样的编程方式来实现，我考虑到程序的复杂性，在这里采用C来编程，将显示部分，频率选择和工作方式转换等都编成子程序，我们在主程序中直接调用，这样会使程序看起来直观和明白。

总体电路图：

五、设计验证及测试方法

1.放大器测试方法：

放大器输入端输入峰值为10mV的正弦信号，将放大器增益设置为40dB，从100Hz开始增大输入信号的频率，用示波器测试放大器的通频带。

然后将输入信号的频率分别固定为100Hz、1kHz、40kHz，预置放大器增益，用低频毫伏表测试其实际增益，计算增益误差，并检验增益步进。

2.滤波器测试方法：

将放大器增益设置为40dB，滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器的截止频率，用低频毫伏表和示波器测试其实际截止频率，计算相对误差，并检测截止频率步进和

处的电压总增益。

高通滤波器的测试方法同上。

椭圆滤波器的测试，将放大器的增益设置为40dB，用示波器测量其通带起伏，-3dB截止频率和200KHz的总电压增益。

程序：

#include 

<

msp430g2553.h>

#define 

uchar 

unsigned 

char

uint 

int

RS_HIGH 

P2OUT|=BIT0 

RS_LOW 

P2OUT&

=~BIT0 

RW_HIGH 

P2OUT|=BIT1

RW_LOW 

=~BIT1

E_HIGH 

P2OUT|=BIT2 

E_LOW 

=~BIT2

BUSY_OUT 

P1DIR|=BIT7

BUSY_IN 

P1DIR&

=~BIT7

BUSY_DATA 

P1IN&

BIT7

Data1[16]={"

The 

gain 

is:

0 

db"

};

Data2[16]={"

10db"

Data3[16]={"

20db"

Data4[16]={"

30db"

Data5[16]={"

40db"

Data6[16]={"

cheng 

kong 

FIR 

"

void 

DelayMS（uint 

ms）

{ 

i;

while（ms--）{

for（i=0;

i<

800;

i++）;

}

LcdBusy（void）

{

RS_LOW;

RW_HIGH;

E_HIGH;

_NOP（）;

BUSY_IN;

while（BUSY_DATA）;

BUSY_OUT;

E_LOW;

WriteCommand（uchar 

Command）

LcdBusy（）;

RW_LOW;

P1OUT=Command;

WriteData（uchar 

Data）

RS_HIGH;

P1OUT=Data;

LcdInit（void）

WriteCommand（0x38）;

DelayMS（5）;

WriteCommand（0x0c）;

WriteCommand（0x06）;

WriteCommand（0x01）;

InitPort（void）

P1SEL=0x00;

P1DIR=0xFF;

P2DIR=0x07;

display_xy（unsigned 

char 

x,unsigned 

y）

if（y==0x01）

x 

= 

+ 

0x40 

0x80;

else

x+0x80;

WriteCommand（x）;

Disp1Char（uchar 

x,uchar 

y,uchar 

data）

display_xy（x,y）;

WriteData（data）;

Ioinit（void）;

int 

main（void）

data1,data2,data3,data4,data5;

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;

InitPort（）;

LcdInit（）;

P2DIR 

&

=~BIT3;

P2REN 

|=BIT3;

=~BIT4;

|=BIT4;

=~BIT5;

|=BIT5;

=~BIT6;

|=BIT6;

=~BIT7;

|=BIT7;

while

（1）

data1=P2IN&

BIT3;

data2=P2IN&

BIT4;

data3=P2IN&

BIT5;

data4=P2IN&

BIT6;

data5=P2IN&

BIT7;

if（data1==0）

WriteCommand（0x80）;

16;

i++） 

WriteData（Data3[i]）;

DelayMS（50）;

if（data2==0）

WriteData（Data4[i]）;

if（data3==0）

WriteData（Data5[i]）;

if（（data1!

=0）&

（data2!

（data3!

=0））

WriteData（Data6[i]）;

DelayMS（15）;

} 

Ioinit（void）

P2DIR&

=~（BIT4+BIT3+BIT5+BIT6+BIT7）;

P2IES 

P2IE|=（BIT4+BIT3+BIT5+BIT6+BIT7）;

_EINT（）;

总结

本电路的硬件设计较为复杂，但是控制手段很多，在采用MSP430g2553芯片时节省了单片机的并口资源，这是值得肯定的一点，信号输入和输出的环节，均采用运算放大电路，好处是可以将弱信号放大处理，但是这个环节中，可能会引入干扰信号，如果干扰信号被足够放大，那么有用的信号就会被严重的破坏掉，所以应该将放大电路的放大比例适当的限制在一定的范围，以防出现截止和饱和失真。

由于电路处理的是一些高频信号，所以要求电路的供电电源要稳定，本设计采用LM324芯片，可以达到要求电压的准确和稳定。

参考文献

1、朱宇光.单片机应用新技术教程[M].电子工业出版社，2000.

2、高峰.单片微型计算机原理与接口技术[M].电子工业出版社，2003.

3、黄智伟等.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京电子工业出版社，2005

4、王彦等.FPGA系统设计与实践[M].北京电子工业出版社，2005

5、蔡锦福.运算放大器原理与应用[M].北京科学出版社，2005

6、肖景和.集成运算放大器应用精粹[J].北京人民邮电出版社，2006

7、谢自美等.电子线路综合设计[J].武汉华中科技大学出版社,2006

8、康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].高等教育出版，2009