第8题 程控滤波器Word下载.docx

第8题 程控滤波器Word下载.docx

《第8题 程控滤波器Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第8题 程控滤波器Word下载.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

2.4幅频特性测试仪设计4

3总体设计5

4硬件设计5

4.1放大器增益控制5

4.2开关电容滤波6

5软件设计7

6系统测试与结果8

6.1基本要求的测试8

6.1.1放大器增益测试8

6.1.2低通滤波器相关参数测试8

6.1.3高通滤波器相关参数测试8

6.2测试结果8

6.2.1放大器增益8

6.2.2低通滤波器8

6.2.3高通滤波器9

6.2.4误差分析9

7设计总结9

8参考文献9

附录10

1设计背景及意义

滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，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，可用于对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，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窄的场合，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，采用程控滤波法对频率动态范围较宽的信号进行滤波。

该系统的最大特点在于其滤波模式可以程控选择，且-3dB截止频率程控可调，相当于一个集多功能于一体的滤波器，将有更好的应用前景。

2方案比较与选择

2.1程控放大方案

方案一：

采用可编程增益放大器PGA204实现增益可调，增益控制精度高，失调电压极小且噪声小，从0.1Hz到10Hz的低频噪声接近0.4μVp-p，约为稳压型斩波电路的噪声的十分之一。

其可实现20ndB的放大，故在其后加OP07构成的10dB放大电路实现10dB步进可调。

方案二：

采用控制数字电位器，改变放大电路的增益，实现大范围的调节，步进可达到很小但是由此实现的增益精度度不高，且数字电位器噪声较大。

方案三：

以运算放大器为主芯片，通过改变电阻来改变增益，完成程控放大；

构成有源滤波器，改变电阻来改变频带范围，此方案实现思想简单，然而，实现噪声处理困难，调整滤波器困难，要由很多数字电位器通过滤波器的计算方法来实现。

经比较，选择方案一为实现程控放大。

2.2程控滤波方案

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边的电压改变电容的阻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：

采用实时DSP或FPGA数字滤波技术。

数字信号处理灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效滤波，但不适合高增益弱信号检测。

要进行高效率的滤波，需要A/D、D/A具有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度。

方案三：

采用开关电容滤波器MF10。

与数字滤波相比，省去了量化过程，因而具有处理速度快、整体结构简单等优点。

开关电容滤波器的滤波特性取决于电容比和时钟频率，只要精确控制时钟频率，便可以精确调节滤波器的中心频率。

且其巩浩较低，稳定性好。

经比较，选择方案三作为程控滤波器的核心。

2.3四阶椭圆滤波器方案

椭圆滤波器有三种基本结构形式：

压控电压源型、三电容型、双二次型，复杂程度相当，但双二次型易于调整，且无须微调电容来置定增益，故选择双二次型。

2.4幅频特性测试仪设计

用FPGA实现扫频信号的产生，用峰值检波器取出其幅度，用DA采样后在液晶上显示。

在被测网络输出端，采用集成真有效值转换芯片AD637，直接输出被测信号的真有效值，与输入信号有效值相比，计算出增益。

此方案精度较高，所需外围元件少，易于实现。

经比较，采用方案二，设定被测网络输入信号幅值（同时有效值也被设定），测量被测网络扫频输出信号的有效值，并将各频率输出信号的有效值存储起来，待扫频完成后通过D／A将这些值顺序输出，即可通过示波器观察幅频特性。

3总体设计

本系统以STM32单片机为控制核心，由PGA204及OP07构成的放大器、程控滤波器MF10、椭圆滤波器和幅频特性测试组成。

实现了电压增益60dB和10dB步进，频率为1K-20KHz步进为1K的低通高通滤波电路，LC网络构成的椭圆低通滤波器和扫频范围100-200KHz的幅频特性测试。

总体设计框架如下：

4硬件设计

4.1放大器增益控制

PGA204是美国Burr-Brown公司生产的低价格、多用途的可编程增益放大器,可用两位TTL或CMOS逻辑信号A1、A0对其增益进行数字选择。

PGA204的增益档级为1、10、100、1000V/V,最大增益误差为±

0.1%。

PGA204的最小电源电压为±

4.5V,适用于电池供电,输入偏流最大为2nA,静态电流为5.2mA。

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

PGA204为固定20dB增益，最大可达60dB，后接OP07构成的10dB放大电路实现10dB步进可调。

由dB=20log10x可得10dB时，x=101/2，Rf阻值选择6.3k，R1阻值选择为2k。

PGA204和OP07放大器电路如下：

4.2开关电容滤波

MF10是MOS开关电容有源滤波器。

电路通过改变反馈方式可实现带通，全通，高通，低通，带阻5种滤波器的功能，改变外接电阻的阻值可以改变滤波器的增益及品质因数Q值，改变外部时钟可以改变中心频率w0。

由于它具有使用简单，体积小，功耗低，精度高，稳定性好等优点，因而它得到了广泛的应用。

开关电容滤波器MF10内部具有两个独立的二阶滤波器，本设计选用模式3，其中单级有关计算公式如下：

（公式中电阻标号详见MF10芯片资料）

MF10程控滤波器引脚图

MF10开关电容滤波电路

其中f。

为截止频率，fck为时钟频率，HOHP为高通通带增益，HOLP为低通通带增益。

为了增加过渡带的衰减陡度，作品采用两片MF10串联实现，实现八阶低通、高通滤波器，单片MF1O电路连接图如图5所示。

只要精确控制时钟信号的频率，便可实现1kHz的频率步进。

5软件设计

本系统软件部分用C语言编写。

程序在Windows8操作平台下，用keil4软件编译并下载到STM32单片机中。

软件设计可分为滤波器控制和幅频特性测试两个独立部分。

滤波器控制部分主要是控制放大器增益、滤波器类型和截止频率。

幅频特性测试部分主要用于精确控制扫频输出信号的频率变化、幅频特性曲线的输出和增益的显示。

滤波器控制流程图如图所示：

6系统测试与结果

6.1基本要求的测试

6.1.1放大器增益测试

软件调试无误后对搭建好的系统供电，初始化屏幕显示相应的功能选项。

输入10mV正弦波信号，按键选择每一项功能的参数后示波器将显示相应的滤波后的图像，电压增益分别可为40dB与60dB，步进10dB可调，通频带100Hz-40kHz，波形没有明显失真。

6.1.2低通滤波器相关参数测试

不断调节频率波形用示波器观察，幅值产生变化，记录-3dB处截止频率，2fc处增益小于30dB。

6.1.3高通滤波器相关参数测试

不断调节频率波形用示波器观察，幅值产生变化，记录-3dB处截止频率，0.5fc处增益小于30dB，经测试系统工作正常。

6.2测试结果

6.2.1放大器增益

设置增益值（dB）

20

40

60

输出电压峰-峰值（V）

0.02200

0.2190

2.240

20.44

实际增益（dB）

0.08278

20.78

40.98

60.19

误差（%）

*

3.9

2.5

0.32

6.2.2低通滤波器

设置截止频率（kHz）

1

5

10

15

实测截止频率（kHz）

1.056

4.850

10.56

15.74

截止频率误差（%）

5.6

3.0

4.9

2fc处输出电压VP—P（mV）

200

250

150

2fc处增益（dB

20.0

21.9

17.5

6.2.3高通滤波器

0.9960

5.141

9.782

14.88

0.4

2.8

2.2

0.8

1/2f处输出电压VP—P（mV）

2fc处增益（dB）

6.2.4误差分析

由于用示波器观察，测量和读取信号幅度都存在误差，但通过人为校准之后，能将误差减小到允许范围之内。

7设计总结

本系统设计通过可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试等模块，实现了各项设计指标。

测试结果可用LCD显示，系统性能良好。

系统设计简单，可较好地实现滤波器的控制，使用方便，具有较高的性价比，实用性和使用价值。

通过本课题的具体设计，我们对程控滤波器的整体设计原理及所要用到的各类芯片有了一个系统的认识和掌握，受益匪浅。

在设计过程中，发现了一些问题的不足，比如在方案论证方面。

对于多个可实现同一功能的方案，犹豫不决。

通过查阅大量资料，最终选择了最易实现的方案。

8参考文献

[1]吴运昌.模拟电子线路基础[M].广州：

华南理工大学出版社，2004.

[2]李建忠.单片机原理及应用[M].西安：

西安电子科技大学，2002.

[3]贾立新.电子设计与实践[M].北京：

清华大学出版社，2007.

[4]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2003.

[5]胡寿松.自动控制原理[M].北京：

科学出版社，2007.

附录

#include"

config.h"

floatSYS_ADJUST（charf）{

if（f<

6）returnf;

elseif（f==6）returnf*1.01;

elseif（f==7）returnf*1.02;

elseif（f==8）returnf*1.04;

elseif（f==9）returnf*1.07;

elseif（f==10）returnf*1.10;

elseif（f==11）returnf*1.14;

elseif（f==12）returnf*1.21;

elsereturnf*1.42;

}

charSYS_KEY（void）{

if（!

GPIO_READ_IN（C,0））{

SYS_DELAY_MS（15）;

if（!

GPIO_READ_IN（C,0））return1;

}

GPIO_READ_IN（C,1））{

GPIO_READ_IN（C,1））return2;

GPIO_READ_IN（C,2））{

GPIO_READ_IN（C,2））return3;

GPIO_READ_IN（C,3））{

GPIO_READ_IN（C,3））return4;

return0;

voidSYS_CONFIG（void）{

RCC_CONFIG_APB1（TIM3）;

RCC_CONFIG_APB2（GPIOA）;

RCC_CONFIG_APB2（GPIOB）;

RCC_CONFIG_APB2（GPIOC）;

RCC_CONFIG_APB2（GPIOD）;

RCC_CONFIG_APB2（AFIO）;

GPIO_CONFIG（A,7,AF_PP）;

//PWM输出

GPIO_CONFIG（C,0,IPU）;

//按键输入上

GPIO_CONFIG（C,1,IPU）;

//按键输入下

GPIO_CONFIG（C,2,IPU）;

//按键输入左

GPIO_CONFIG（C,3,IPU）;

//按键输入右

GPIO_CONFIG（C,4,Out_PP）;

//地址输出1

GPIO_CONFIG（C,5,Out_PP）;

//地址输出2

GPIO_CONFIG（D,3,Out_PP）;

//换路输出

GPIO_CONFIG（D,4,Out_PP）;

//数据输出

GPIO_CONFIG（D,5,Out_PP）;

//时钟输出

LCD_CONFIG（）;

intSYS_MAIN（void）{

intCount=0;

SYS_CONFIG（）;

SYS_MENU（0）;

while

（1）{

Count++;

if（Count==1800000）{

charkey=SYS_KEY（）;

if（key）SYS_MENU（key）;

Count=0;

}