基于AT89C52的程控滤波器的设计与仿真.docx
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基于AT89C52的程控滤波器的设计与仿真
鹭江职业技术学校
毕业论文
论文题目:
基于AT89C52程控滤波器的设计与仿真
学院、系:
信息科学与技术学院
专业(方向):
电子科学与技术
年级:
2009级
学生:
刘佳丽
指导教师:
马银春
_2009__年6月20日
声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业论文(设计)是本人在导师的指导下取得的成果。
对本论文(设计)的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
因本毕业论文(设计)引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业论文(设计)成果归兰州商学院所有。
特此声明
毕业论文(设计)作者签名:
年月日
程控滤波器的设计与仿真
摘要
本系统实现程控滤波,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。
硬件以单片机AT89C52为核心控制,主要由PGA103放大器、程控滤波器MAX262、椭圆滤波器和幅频特性测试(DDS)等部分组成。
放大器采用PGA103,实现60dB固定增益放大,步进10dB由单片机控制AD7520实现,其误差不大于5%。
低通、高通滤波器由单片机控制可编程滤波器芯片MAX262实现,在2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。
幅频特性测试由DDS产生信号经峰值检波后送入A/D转换实现。
本系统设计简单,能很好地实现滤波器的程控,使用方便,具有较高的性价比、实用性和使用价值。
在此文中,采用multisim系统仿真实现程控滤波功能。
[关键字]AT89C52程控滤波器MAX262
ABSTRACT
Thissystemcanrealizethedigitalprogrammablefilterandalsocouldintercalatethegainofamplifier,thepassbandparameterandcut-offfrequencyofLPForHPFcouldbeintercalated.ThehardwareusesMCU(AT89C52)asthecoretocontrolthesystem,itconsistofthePGA103、MAX262、thefour-orderellipticlow-passfilterandDDSansoon.TheamplifierusesthePGA103,thefixedgainofamplifieris60dB,theAT89C52controltheAD7520,itcouldrealizethecontroled10dBgain,theerrorhas5%.TheLPFandHPFarerealizedbytheprogrammableswitched-capacitorfilterintegratedchipMAX262,thechipiscontroledbytheAT89C52,thevoltagegainofamplifierandfilteris30dBinthe2fc,DDStheoryisadoptedtoproduceAmplitude-frequencycharacteristicstester.Thedesignofthesystemissimple,itisveryconvenience.Inthisarticle,systemsimulationusingmultisimachieveprogrammablefiltering.
[Keywords]AT89C52,elliptic,low-pass,filter,MAX262,Amplitude-frequency,characteristicstester
程控滤波器的设计与仿真
一、引言
(一)课题背景
什么是滤波器呢?
从广义上来说,凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器,在近代电信设备和各类控制系统中,滤波器应用极为广泛,从某种意义上来说滤波器的发展进程就代表了电子业的发展进程,在所有的电子部件中,使用最多、技术最为复杂的要算滤波器了。
滤波器的优劣直接决定产品的优劣,所以,对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。
我国的电子行业还处于发展阶段,相对于发达国家我们还有不小的差距,所以我们必须投入更大的努力改变这一现状,从而做到不求人,只求己。
(二)滤波器的发展
1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器,次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。
20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。
自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展,滤波器发展上了一个新台阶,并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力,其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。
导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展,到70年代后期,上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。
80年代,致力于各类新型滤波器的研究,努力提高性能并逐渐扩大应用范围。
90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。
当然,对滤波器本身的研究仍在不断进行。
我国广泛使用滤波器是50年代后期的事,当时主要用于话路滤波和报路滤波。
经过半个世纪的发展,我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐,但由于缺少专门研制机构,集成工艺和材料工业跟不上来,使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。
(三)论题的设计与要求
(1)放大器输入正弦信号电压振幅为10mV,电压增益为60dB,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40dB,RL=1k。
(3)电压增益与截止频率的误差均不大于10%。
(4)有设置参数显示功能。
(四)滤波器的分类
滤波器有各种不同的分类,一般有如下几种。
图1-1滤波器的分类
(1)按处理信号类型分类按处理信号类型分类,可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。
其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类;离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。
当然,每个分类又可继续分下去,总之,它们的分类可以形成一个树形结构,如图所示。
实际上有些滤波器很难归于哪一类,例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器,又可属于混合滤波器,还可属于有源滤波器。
因此,我们不必苛求这种“精确”分类,只是让人们了解滤波器的大体类型,有个总体概念就行了。
(2)按选择物理量分类
按选择物理量分类,滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择(例如PCM制中的话路信号)和信息选择(例如匹配滤波器)等四类滤波器。
(3)按频率通带范围分类
按频率通带范围分类,滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别,而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器,因为它有周期性的通带和阻带。
(五)本文的研究内容
本次课题主要研究的是以单片机为核心控制而设计的程控滤波器,硬件以单片机AT89C52为核心控制,主要由PGA103放大器、程控滤波器MAX262、椭圆滤波器和幅频特性测试(DDS)等部分组成。
本系统可实现程控滤波,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。
本次课题的仿真部分,用到了multisim软件,主要针对程控滤波器的放大部分与滤波部分。
通过设置函数信号发生器的参数改变输入信号,由四踪示波器观察得输出信号随之改变的情况,最后分析数据得出结论。
二、系统组成
(一)程控滤波器的总体说明
按设计要求,我大致将程控滤波器按功能分为三部分,如图2-1所示:
1、程控放大器电路
2、程控滤波电路
3、幅频特性测试
图2-1系统总体框图
1、程控放大器电路
方案一:
采用模拟电路搭建,由模拟开关选择不同的电阻档实现步进。
此方法不占用单片机资源,使单片机能更好地控制其它电路,但采用纯模拟电路搭建不易控制,且控制精度不高。
方案二:
程控放大器由两极电路组成,输入信号首先经过PGA103固定放大后送入AD7520由单片机控制增益步进。
由于AD7520输入电压幅度的要求,在此采用先固定放大再程控,最后再固定放大。
此方法控制精度高,由AD7520决定步进精度,方便调节控制步进。
原理框图如图2-2所示。
图2-2程控放大原理框图
基于以上方案比较,我选取方案二。
2、程控滤波器电路
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端的电压改变电容的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:
选用专用的程控滤波器芯片MAX262实现。
MAX262可编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带阻和全通滤波器处理,且滤波器的特性参数如中心频率、品质因数等可通过编程进行设置。
基于以上方案比较,我选取方案二。
3、幅频特性测试设计
采用扫频的方法:
让不同的频率的标准信号通过待测系统,通过比较输入、输出波形的幅度关系,得到系统的幅频特性。
原理框图如图2-3所示。
图2-3幅频特性测试
方案一:
采用单片机动态编程技术,用软件产生正弦波数据,存入RAM,利用指令寻址,经D/A转换输出波形。
用有源峰值检波器实现峰值检波,再送入A/D转换完成量化,由单片机控制经D/A输出得到幅频特性。
因单片机工作频率的限制使得其产生的信号采样点数少,上限频率不高。
方案二:
采用锁相式频率合成器,利用PLL将VCO的输出品,锁定在所需频率上。
方案三:
采用直接频率合成(DDS),按频率要求对相位增量进行累加,以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据,经D/A转换、滤波即得所需波形。
单片机通过置入不同的相位增量来实现对正弦波频率的控制。
采用DDS产生的信号精度高,线性和稳定度好。
基于以上方案比较,我选取的是方案三。
(二)系统主要单元电路设计
1、系统简介
本系统主要以AT89C52单片机为控制核心,由PGA103放大器、程控滤波器MAX262、椭圆滤波器和幅频特性测试组成。
实现了电压增益放大60dB和10dB步进,频率为1K-20KHZ步进为1K的低通高通滤波器,LC构成的椭圆低通滤波器和扫频范围100-200KHZ的幅频特性测试。
2、程控放大器电路
程控放大器采用固定放大器(PGA103)加可控电路(AD7520)实现。
由于AD7520的输入信号不能太大,所以采用初、次两极放大。
将D/A看成一个可数控的电阻网络来实现增益可变放大,其放大倍数由单片机送到D/A的数据决定。
其仿真电路如图2-4所示。
图2-4程控放大器
3、程控滤波电路
滤波电路采用MAX262芯片设计,MAX262芯片是Maxim公司推出的双二阶通用开关电容有源滤波器,可通过微处理器精确控制滤波器的传递函数(包括设置中心频率、品质因数和工作方式)。
在不需外部元件的情况下就可以构成各种带通、低通、高通、陷波和全通滤波器。
在程序控制下设置中心频率、品质因数和滤波器的工作方式。
输入时钟频率与6位编程输入代码一起决定滤波器的中心频率或截止频率,不影响其他滤波参数。
滤波器Q值也可独立变成。
每个滤波器的独立时钟输入端可以连接晶体振荡器、FC网络或外部时钟发生器。
片内开关和电容提供反馈以控制每个滤波器
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- 基于 AT89C52 程控 滤波器 设计 仿真
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