程控滤波器.docx
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程控滤波器.docx
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程控滤波器
程控滤波器
一、任务
设计并制作程控滤波器,其组成如图1所示。
放大器增益可设置;低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。
图1程控滤波器组成框图
二、要求
1.基本要求
(1)放大器输入正弦信号电压振幅为10mV,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。
(2)滤波器可设置为低通滤波器,其-3dB截止频率fc在1kHz~20kHz范围内可调,调节的频率步进为1kHz,2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1k。
(3)滤波器可设置为高通滤波器,其-3dB截止频率fc在1kHz~20kHz范围内可调,调节的频率步进为1kHz,0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1k。
(4)电压增益与截止频率的误差均不大于10%。
(5)有设置参数显示功能。
2.发挥部分
(1)放大器电压增益为60dB,输入信号电压振幅为10mV;增益10dB步进可调,电压增益误差不大于5%。
(2)制作一个四阶椭圆型低通滤波器,带内起伏≤1dB,-3dB通带为50kHz,要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB,-3dB通带误差不大于5%。
(3)制作一个简易幅频特性测试仪,其扫频输出信号的频率变化范围是100Hz~200kHz,频率步进10kHz。
(4)其他。
摘要:
本系统以MP430G2553单片机为控制核心,实现程控滤波的功能。
前端放大器由运放和数字电位器构成,实现了增益0—40dB,步进10dB可调。
滤波器采用程控数字电位器的技术,构成RC有源滤波网络,实现了程控高通、低通滤波截止频率1KHz—20KHz,步进1KHz可调。
设人机接口采用4×1键盘及LCD液晶显示器,控制界面直观、简洁,具有良好的人机交互性能。
关键词:
程控滤波MSP430G2553 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。
前端放大器由运放和数字电位器构成,实现了增益0—40dB,步进10dB可调。
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。
方案一:
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。
方案二:
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
方案一:
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。
方案二:
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
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define RS_HIGH P2OUT|=BIT0
#define RS_LOW P2OUT&=~BIT0
#define RW_HIGH P2OUT|=BIT1
#define RW_LOW P2OUT&=~BIT1
#define E_HIGH P2OUT|=BIT2
#define E_LOW P2OUT&=~BIT2
#define BUSY_OUT P1DIR|=BIT7
#define BUSY_IN P1DIR&=~BIT7
#define BUSY_DATA P1IN&BIT7
uchar Data1[16]={"The gain is:
0 db"};
uchar Data2[16]={"The gain is:
10db"};
uchar Data3[16]={"The gain is:
20db"};
uchar Data4[16]={"The gain is:
30db"};
uchar Data5[16]={"The gain is:
40db"};
uchar Data6[16]={"cheng kong FIR "};
void DelayMS(uint ms)
{
uint i;
while(ms--){
for(i=0; i<800;i++);
}
}
void LcdBusy(void)
{
RS_LOW;
RW_HIGH;
E_HIGH;
_NOP();_NOP();
BUSY_IN;
while(BUSY_DATA);
BUSY_OUT;
E_LOW;
}
void WriteCommand(uchar Command)
{
LcdBusy();
RS_LOW;
RW_LOW;
E_HIGH;
_NOP();_NOP();
P1OUT=Command;
_NOP();_NOP();
E_LOW;
}
void WriteData(uchar Data)
{
LcdBusy();
RS_HIGH;
RW_LOW;
E_HIGH;
_NOP();_NOP();
P1OUT=Data;
_NOP();_NOP();
E_LOW;
}
void LcdInit(void)
{
WriteCommand(0x38);
DelayMS(5);
WriteCommand(0x0c);
DelayMS(5);
WriteCommand(0x06);
DelayMS(5);
WriteCommand(0x01);
DelayMS(5);
}
void InitPort(void)
{
P1SEL=0x00;
P1DIR=0xFF;
P2DIR=0x07;
}
void display_xy(unsigned char x,unsigned char y)
{
if(y==0x01)
{
x = x + 0x40 + 0x80; }
else
{
x = x+0x80;
}
WriteCommand(x);
}
void Disp1Char(uchar x,uchar y,uchar data)
{
display_xy(x,y);
WriteData(data);
}
void Ioinit(void);
int i;
int main(void)
{
int data1,data2,data3,data4,data5;
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
InitPort();
LcdInit();
P2DIR &=~BIT3;
P2REN |=BIT3;
P2DIR &=~BIT4;
P2REN |=BIT4;
P2DIR &=~BIT5;
P2REN |=BIT5;
P2DIR &=~BIT6;
P2REN |=BIT6;
P2DIR &=~BIT7;
P2REN |=BIT7;
while
(1)
{
data1=P2IN&BIT3;
data2=P2IN&BIT4;
data3=P2IN&BIT5;
data4=P2IN&BIT6;
data5=P2IN&BIT7;
if(data1==0)
{
WriteCommand(0x80);
for(i=0;i<16;i++) WriteData(Data3[i]);
DelayMS(50);
}
if(data2==0)
{
WriteCommand(0x80);
for(i=0;i<16;i++) WriteData(Data4[i]);
DelayMS(50);
}
if(data3==0)
{
WriteCommand(0x80);
for(i=0;i<16;i++) WriteData(Data5[i]);
DelayMS(50);
}
if((data1!
=0)&&(data2!
=0)&&(data3!
=0))
{
WriteCommand(0x80);
for(i=0;i<16;i++) WriteData(Data6[i]);
DelayMS(15);
}
}
}
void Ioinit(void)
{
P2DIR&=~(BIT4+BIT3+BIT5+BIT6+BIT7);
P2IES &=~(BIT4+BIT3+BIT5+BIT6+BIT7);
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
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5、蔡锦福.运算放大器原理与应用[M].北京科学出版社,2005
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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
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