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3.1.2放大电路仿真11
3.1.3软件框架12
3.2硬件调试13
4设计总结13
4.1存在的问题与解决的方法13
4.2设计感想14
5附录15
综合硬件设计
1硬件设计概述
此次设计主要包括模拟滤波电路、放大电路、AD转换电路、数字滤波电路等部分。
数据采集,又称数据获取,是利用一种装置,从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。
数据采集技术广泛引用在各个领域。
比如摄像头,麦克风,都是数据采集工具。
被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量,如温度、水位、风速、压力等,可以是模拟量,也可以是数字量。
在互联网行业快速发展的今天,数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域,数据采集领域已经发生了重要的变化。
而在数据采集中存在着各种噪声。
滤除噪声的方法有很多种,既有数字滤波器,也有模拟滤波器。
这里我们采用了基于单片机和C语言来设计并开发数字滤波系统。
我们针对于单片机数据采集系统中经常出现的随机干扰,通过手动输入来模拟数据采集过程,验证了几种使用较为普遍的克服随机干扰的单片机数字滤波算法,并给出了相应的C程序。
总的来说就是输入信号经过模拟滤波,进行预处理,保留感兴趣的信号,再通过放大器对其进行放大,以便进行AD转换,然后将放大后的模拟信号经过ADC转换成数字信号,最后通入单片机完成数字滤波。
2设计主要内容
设计内容主要包括模拟滤波、放大以及数字滤波部分。
这里我们使用了51系列单片机——AT89C51,利用这个单片机进行编程,实现对输入信号的滤波。
我使用了P0口作为接受AD转换的结果的端口。
另外还利用了P2作为控制端口,P2.0-P2.2用来控制AD转换器,而P2.3-P2.6外接四个开关,用来实现滤波方式的选择。
下图2-1是基本的流程图:
图2-1基本流程图
主要原理图如下:
2.1模拟低通滤波
根据要求设计一个模拟低通滤波器,滤波器要求通带范围为0~40KHz,在50KHz处衰减要达到40dB。
当椭圆滤波器通带和阻带波纹幅度固定时,阶数越高,则过渡带越窄,鉴于椭圆滤波器的这一特性,又考虑到过渡带10KHz内要达到40dB的衰减,选择设计一个5阶的椭圆滤波器。
设计主要通过filtersolutions10.0进行:
设计参数如图2.1-1所示:
图2.1-1椭圆低通滤波器设计参数
通过设置参数后,自动生成电路以及滤波器的基本信息如图2.1-2所示,0~40KHz通带最大衰减1dB,阻带50KHz处衰减达到41.95dB,满足滤波器的性能需求。
图2.1-2椭圆低通滤波器电路与基本信息
图2.1-3是椭圆滤波器的频率响应图,从图中可以看出在0~40KHz通带范围内,几乎没有衰减且呈现等波纹幅频特性,50KHz时幅度衰减了40dB,同时阻带也呈现出等波纹幅频特性。
相位特性的非线性是由于椭圆滤波器本身特性造成,在本次过程中不影响使用。
图2.1-3椭圆低通滤波器频率响应图
2.2放大
由于有的ADC无法采集负电压信号,所以在进行放大之前应先把交流信号的负电压部分上拉成正电压,这样ADC才能采集到。
上拉负电压方法如图2.2-1所示,运放采用芯片LM324。
图2.2-1上拉交流信号负电压电路图
如图2.2-1所示,将输入的交流信号加上一个直流信号,以达到拉高负电压的目的。
通过调节电位器R4的阻值,可以控制它分压的大小,调节直流信号的幅度,由于输入的是300mV的交流信号,所以加的直流信号至少为150mV。
进行完成之后紧接着对交流信号进行放大,放大电路如图2.2-2所示,同相放大电路,通过调节电位器R3,控制放大倍数。
图2.2-2同相放大电路
2.3AD转换
ADC芯片选用ADC0804,ADC0804是8位COMS依次逼近型的A/D转换器。
它的模拟电压输入范围为0~+5V,那么其能转换的最小电压由式(2.3)可求得为19.5mV,满足本次实验需求。
5V/(2^8)=19.5mV(式2.3)
ADC模块电路如图2.3-1所示,
图2.3-1ADC0804模块电路
2.4数字带通滤波
单片机设计一个带通滤波器,要求中心频率为10KHz,带宽±
2KHz,通带最大衰减1dB,阻带最小衰减35dB。
数字带通滤波器首先通过Matlab设计,得到传输函数,再通过单片机实现。
Matlab主要设计程序如图2.4-1,同样采用椭圆滤波器,先设计模拟滤波器,再转成数字滤波器,最后通过函数变换得到二阶节型传输函数。
图2.4-1数字带通滤波器Matlab主要设计程序
数字带通滤波器的幅频相频特性如图2.4-2所示,达到设计的要求。
图2.4-2数字带通滤波器幅频与相频特性
鉴于以上的结果,然后用函数tf2sos将数字带通滤波器的传输函数转换成二阶节的形式,最后通过单片机实现。
3软硬件测试
测试主要分为两个部分,第一部分为制板之前对设计方案的软件仿真,主要使用Multisim软件,第二部分是对成品的硬件调试。
3.1软件仿真
3.1.1模拟低通滤波仿真
在Multisim中搭建如图2.1-2所示电路,用Agilent的函数发生器模拟输入不同频率的信号,用Tektronix的示波器观察输出信号的衰减情况,具体设置如图3.1-1所示。
图3.1-1模拟低通滤波器仿真电路
通过调节输入信号的频率,观察不同频率下电路的滤波情况,这里在通带频率与阻带频率中各进行几次仿真,结果如图3.1-2,3.1-3,3.1-4所示。
图3.1-210KHz输入输出情况
图3.1-340KHz输入输出情况
图3.1-2与图3.1-3上方的波形为输入信号波形,幅度为300mV,频率分别为10KHz和40KHz,下方的波形为输出波形,可见信号经过设计的模拟滤波器后幅度上有固定的衰减,大概160mV左右,这是由于设计的滤波器主要由无源器件搭建,在能量上必然有所损耗,这也是在滤波后级联放大电路的主要原因之一。
由图3.1-2和图3.1-3可以看出设计的滤波器在通带范围内有较好的一致性,除去固定衰减,滤波衰减较小,下面通过图3.1-4观察滤波器阻带范围衰减的情况。
图3.1-450KHz输入输出情况
图3.1-4所示,上方为输入信号波形,下方为输出波形,50KHz信号在通过低通滤波器后有了较大的衰减,除开电路的固定衰减,阻带的幅度衰减也达到了100倍左右。
综上可知,模拟低通滤波器的设计方案可行。
3.1.2放大电路仿真
放大电路分成上拉电压与放大两部分,在Multisim中搭建图2.2-1与图2.2-2中的电路,效果如图3.1-5所示。
图3.1-5放大电路仿真图
输入30KHz,300mV交流信号,示波器中得到的图型如图3.1-6所示,
图3.1-6放大电路示波器图形
图3.1-6所示,由上到下依次为输入信号波形,上拉后的信号波形以及放大后的信号波形。
从图中可以看出,输入信号的负电压加上一个直流信号后,已经被拉到了正电压上,再通过同相放大,幅值放大了6.8倍,根据式(3.1)计算可得放大倍数为7,基本符合。
(式3.1)
实际电路中,R8与R6使用电位器,这样只要控制R8与R6的阻值大小,就可以调节输入信号的上拉幅度和放大倍数。
以上仿真验证了放大电路的可行性。
3.1.3软件框架
3.2硬件调试
硬件调试部分由老师现场亲自检查。
4设计总结
4.1存在的问题与解决的方法
在上拉交流信号负电压的电路中,会出现“直流不直”的现象。
设计中为了采集到负电压信号,理论上使用的方法是加入直流信号,以达到上拉负电压的目的。
但在实际操作过程中,加入的并不是标准的直流,图4.1-1是上拉电压仿真图,图4.1-2是电路各点信号图。
图4.1-1上拉电压仿真图
图4.1-2上拉电压各点信号图
通道1是5V直流电源,通道4是函数发生器输出的30KHz交流信号,通道2是分压后的直流电源,但可以看到此时直流信号已经受到了交流干扰,这个交流干扰应该来自于函数发生器输出的交流信号。
本身设想的是通道1的直流信号与通道3信号相加,实际上却是形如通道2的信号与通道3信号相加,但这不会对我们的设计产生影响。
通过观察可以看到通道2的信号与通道3的信号周期一致,相位也相同或者相差整数个周期,且波峰对波峰,波谷对波谷,这样不仅起到了上拉的作用,而且还对信号进行了放大。
4.2设计感想
这次整个综合设计通过了软件和硬件上的调试。
我想这对于我们以后的学习和工作都会有很大的帮助。
在这次设计中遇到了很多实际性的问题,在实际设计中才发现,书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的,所以有些问题不但要深入地理解,而且要不断地更正以前的错误思维。
一切问题必须要靠自己一点一滴的解决,而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。
对于数字滤波系统,其程序不是很难的,主要是解决程序设计中的问题,而程序设计是一个很灵活的东西,它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力,它才是一个设计的灵魂所在。
这次课程设计让我充分认识到要学会借鉴别人的思想的重要性,很多子程序是可以借鉴书本上的,但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在,这需要对系统的结构很熟悉。
因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合,二者是密不可分的。
通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处,虽然感觉理论上已经掌握,但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑,经过一番努力才得以解决。
小组人员的配合﹑相处,以及自身的动脑和努力,都是以后工作中需要的。
所以我认为这次的课程设计意义很深,和**,**2位同学的共同学习﹑配合﹑努力的过程也很愉快。
5附录
相关模块如下;
AD程序模块:
#include<
52reg.h>
#include<
pic.h>
//包含单片机内部资源预定义
__CONFIG(0x1832);
//芯片配置字,看门狗关,上电延时开,掉电检测关,低压编程关,加密,4M晶体HS振荡
constcharTABLE[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0X82,0XF8,0X80,0X90};
//定义常数0-9的数据表格
void
DELAY();
//delay函数申明
init();
//I/O口初始化函数申明
display(intx);
//显示函数申明
//主程序开始
main()
{
intresult=0x00;
//定义转换结果寄存器
while
(1)
//死循环
{
inti;
//定义循环次数控制寄存器
result=0x00;
//转换结果清0
for(i=5;
i>
0;
i--)
//求5次转换结果的平均值
//调用初始化函数
ADGO=0X1;
//开启转换过程
while(ADGO);
//等待转换完成
result=result+ADRESL;
//累计转换结果
}
result=result/5;
//求5次结果的平均值
display(result);
//调用显示函数
//初始化函数
init()
PORTA=0XFF;
PORTD=0XFF;
//熄灭所有显示
TRISA=0X1;
//设置RA0为输入,其他为输出
TRISD=0X00;
//设置D口全为输出
ADCON1=0X8E;
//转换结果左对齐,RA0做模拟输入口,其它做普通I/O
ADCON0=0X41;
//系统时钟Fosc/8,选择RA0通道,允许ADC工作
//保证采样延时
//显示函数
voiddisplay(intx)
int
bai,shi,ge,temp;
//定义4个临时变量
temp=x;
//暂存AD转换的结果
bai=temp/0x64;
//求显示的百位
shi=(temp%0x64)/0xa;
//求显示的十位
ge=(temp%0x64)%0xa;
//求显示的个位
PORTD=TABLE[bai];
//查表得百位显示的代码
PORTA=0x37;
//RA3输出低电平,点亮百位显示
//延时一定时间,保证显示亮度
PORTD=TABLE[shi];
//查表得十位显示的代码
PORTA=0x2F;
//RA4输出低电平,点亮十位显示
//延时一定时间,保证亮度
PORTD=TABLE[ge];
//求个位显示的代码
PORTA=0x1F;
//RA5输出低电平,点亮个位显示
DELAY()
//延时程序
//定义整形变量
for(i=0x100;
i--;
);
//延时
数字滤波器模块:
#defineunsignedintuint
#defineunsignedcharuchar
#definea01
#definea1-6.7556
#definea220.9092
#definea3-38.5192
#definea446.0971
#definea5-36.67
#definea618.9498
#definea7-5.8288
#definea80.8215
#defineb00.0105
#defineb1-0.0676
#defineb20.2033
#defineb3-0.3714
#defineb40.4505
#defineb5-0.3714
#defineb60.2033
#defineb7-0.0676
#defineb80.0105
voidmain()
floatv1=0,v2=0,v3=0,v4=0,v5=0,v6=0,v7=0,v8=0;
floatx1=0,x2=0,x3=0,x4=0,x5=0,x6=0,x7=0,x8=0;
floaty1=0,y2=0,y3=0,y4=0,y5=0,y6=0,y7=0,y8=0;
uinti;
uintN=16;
//每接受N数据做一次
for(i=0;
i<
N;
i++)
x0=InPut[i];
x1=a1*v1+a2*v2+a3*v3+a4*v4+a5*v5+a6*v6+a7*v7+a8*v8;
y1=b1*v1+b2*v2+b3*v3+b4*v4+b5*v5+b6*v6+b7*v7+b8*v8;
v0=x0+x1;
y0=b0*v0+y1;
v8=v7;
v7=v6;
v6=v5;
v5=v4;
v4=v3;
v3=v2;
v2=v1;
v1=v0;
OutPut[i]=y0;
}
PCB图与3D效果图:
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