單片機(jī)程控濾波器設(shè)計詳解

　　設(shè)計要求

　　當(dāng)輸入信號幅度變化時，通過前級的程控增益放大模塊實現(xiàn)對增益的精確控制，最終使輸出信號幅度基本保持穩(wěn)定；而對于輸入信號頻率的改變，借助單片機(jī)可編程濾波器芯片的同時，用簡單的外圍期間來輔助，采用編程數(shù)據(jù)來完成RC網(wǎng)絡(luò)的切換，通過單片機(jī)變成對各種低頻信號實現(xiàn)通、高通（帶通、帶阻以及全通）濾波處理，而且濾波的特性參數(shù)，如中心頻率、品質(zhì)因數(shù)等也可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合進(jìn)行設(shè)置，提高了濾波器的性能和指標(biāo)的同時，也有效避免了傳統(tǒng)有源濾波器電路濾波特性參數(shù)精度不高、電路復(fù)雜、設(shè)計和調(diào)試麻煩等問題，可以很好的應(yīng)用于信號頻率及幅度在寬范圍內(nèi)變化的場所，操作方便，性能優(yōu)良。

　　本次設(shè)計一個程控濾波器，放大器增益可設(shè)置，低通或高通濾波器通頻帶，截止頻率等參數(shù)可設(shè)置。濾波器為有源濾波器，并可按一定程序設(shè)置通頻帶及截止頻率等。

　　設(shè)計方案

　?。?）增益控制

　　采用精密數(shù)字電位器和儀表放大器 AD620連接通過改變數(shù)字電位器的阻值來實現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)，可以精確的調(diào)節(jié)增益且精度高。此方案可以較精確的控制電壓增益，便于單片機(jī)控制，同時降低干擾和噪聲，滿足設(shè)計要求，但成本較高。符合設(shè)計要求。

　?。?）濾波模塊

　　通過單片機(jī)對現(xiàn)有的集成的截止頻率可調(diào)的濾波器來實現(xiàn)題目的要求。實現(xiàn)起來精度高，且易于調(diào)試。通過單片機(jī)對MAX270（up程控濾波芯片）進(jìn)行控制實現(xiàn)設(shè)計要求。

　　（3）橢圓濾波器模塊

　　采用集成的開關(guān)電容濾波芯片。由于此種芯片濾波器的截止頻率由外部時鐘決定，只要有一個穩(wěn)定的外部時鐘，濾波器的截止頻率是可以保證精度的，同時，為了校準(zhǔn)元件誤差，可以通過時鐘頻率的微調(diào)來改變?yōu)V波器的截止頻率，從而使其準(zhǔn)確的達(dá)到設(shè)計要求。

　?。?）幅頻特性測試儀模塊

　　采用DDS產(chǎn)生掃頻信號，利用真有效值測量芯片AD637和A/D接口電路實現(xiàn)到頻信號頻率的步進(jìn)調(diào)整及被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的數(shù)顯。DDS產(chǎn)生信號的頻率穩(wěn)定度較高，而且信號頻率的步進(jìn)和信號幅度的控制比較方便。

　?。?）鍵盤控制及顯示模塊

　　采用按鍵和LCD顯示來實現(xiàn)系統(tǒng)的增益、截止頻率的適時調(diào)節(jié)和顯示的操作界面。

　　最終系統(tǒng)框圖如圖2-1所示：

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　　理論分析與計算

　?。?）AD620增益控制實現(xiàn)

　　可控增益放大器部分是以AD620作為核心器件，實現(xiàn)0～60 dB之間的增益調(diào)節(jié)。AD620為低噪聲精密可變增益放大器，溫度穩(wěn)定性高，其內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯形網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量由加在增益控制接口的參考電壓決定；其增益與控制電壓呈線性關(guān)系，通過單片機(jī)控制，而由D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生精確的參考電壓來控制增益，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控，同時可降低干擾和噪聲。程控濾波器部分采用開關(guān)電容濾波器實現(xiàn)。開關(guān)電容濾波器是由MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運算放大器構(gòu)成的集成濾波器，其開關(guān)電容組在時鐘頻率的驅(qū)動下，可等效成1只與時鐘頻率有關(guān)的等效電阻 R=1/2πC fc。其中C為開關(guān)電容組的電容，fc為濾波器時鐘頻率。增益計算：

　　放大模塊的電路如圖2-3所示，該部分是由儀表放大器AD620和模擬開關(guān)CD4051共同組成三級放大電路來實現(xiàn)的，通過調(diào)節(jié)AD620的1腳和8腳之間的電阻值來改變電壓增益，電壓增益為10dB到60dB。

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　　式中G為放大倍數(shù)，Gr為控制增益的電阻。

　?。?）MAX270濾波器截止頻率實現(xiàn)

　　系統(tǒng)采用濾波器MAX270實現(xiàn)低通濾波器。 MAX270包含兩個二階低通濾波器（過度帶頻率響應(yīng)斜率近視為-40dB/十倍頻程）可分別程控，截止頻率1KHz—25KHz，96dB動態(tài)范圍，不需要連接外部元件，可級聯(lián)，具有低功耗的關(guān)斷模式。通過7位寄存器（D0—D6）發(fā)出的數(shù)據(jù)改變二階低通濾波器的兩個電容值從而改變電路的截止頻率fc（Cutoff frequencies）1KHz到25KHz共分128檔。

　?。?）橢圓濾波器的設(shè)計

　　四階橢圓低通濾波器相當(dāng)于兩級二階低通濾波電路的的組合。其傳遞函數(shù)為：

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　　我們采用橢圓形歸一化LPF的設(shè)計方法，選擇帶內(nèi)起伏量為1.0db阻帶頻率為通帶頻率的4.0倍。帶內(nèi)起伏量為1db時，阻帶內(nèi)有一個限波點的橢圓型歸一化LPF的設(shè)計數(shù)據(jù)如表2-1所示。

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　?。?）幅頻特性測試模塊

　　AD9851由DDS產(chǎn)生0～200 kHz范圍內(nèi)的掃頻信號，DDS產(chǎn)生信號的頻率穩(wěn)定度較高，而且信號的頻率步進(jìn)和信號幅值控制方便。DDS以Nyquist時域采樣定理為基礎(chǔ)，在時域中進(jìn)行頻率合成。DDS的基本工作原理：每個參考頻率fs上升沿到來時，N位的相位累加器值便按照頻率控制字K的長度增加一次，輸出所得相位值，正弦查找表將相位信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的正弦幅度值。在fs和N一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字K決定。以一定步進(jìn)循環(huán)增加頻率控制字K，輸出頻率變化的掃頻信號。

　　掃頻信號通過被測網(wǎng)絡(luò)后，由AD637檢測有效值，即利用各個頻點通過網(wǎng)絡(luò)后的有效值在示波器上顯示其幅頻特性圖。AD637的外圍電路簡單，而且當(dāng)輸入峰峰值大于2 V時，其測量誤差在100 Hz～1 MHz的范圍內(nèi)可忽略。

　　DDS原理框圖，幅頻特性測試模塊原理框圖如圖2-2：

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　　硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)主要采用精密放大器AD620和MAX270，以及單片機(jī)的控制來實現(xiàn)。

　　1、放大器模塊

　　AD620特性：放大倍數(shù)可設(shè)置為1～1000倍，低價格、低功耗、高精度儀表放大器。它體積小，為8管腳的SOIC或DIP封裝；供電電源范圍為±2.3V～±l8V；最大供電電流僅為1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大輸入失調(diào)電壓為5OμV，最大輸入失調(diào)電壓漂移為lμV/。C，最大輸入偏置電流為2.0nA。G=10時，其共模抑制比大于93dB 。在1kHz處輸人電壓噪聲為9nv／（Hz）1/2，在0.1Hz～10Hz范圍內(nèi)輸人電壓噪聲的峰--峰值為0.28μV，輸入電流噪聲為0.1pA/（Hz）1/2 ，G=l時它的增益帶寬為120kHz，建立時間為15μs。

　　其引腳如圖3-1：

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　　放大器模塊電路如圖3-2所示：

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　　2、單片機(jī)控制濾波器模塊

　　通過AT89S52單片機(jī)控制二階低通程控濾波器MAX270，來完成低通濾波器的設(shè)計。

　　a、AT89S52單片機(jī)

　　AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

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　　引腳及功能：

　　P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。

　　P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。

　　引腳號第二功能：

　　P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入）時鐘輸出

　　P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）

　　P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）

　　P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）

　　P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）

　　P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動 4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。

　　P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。

　　端口引腳第二功能：

　　P3.0 RXD（串行輸入口）

　　P3.1 TXD（串行輸出口）

　　P3.2 INTO（外中斷0）

　　P3.3 INT1（外中斷1）

　　P3.4 TO（定時/計數(shù)器0）

　　P3.5 T1（定時/計數(shù)器1）

　　P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

　　P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

　　此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。

　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。

　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。

　　PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。

　　EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

　　XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。

　　XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

　　b、MAX270

　　主要性能：包含兩個二階低通濾波器（過度帶頻率響應(yīng)斜率近視為-40dB/十倍頻程）可分別程控，截止頻率1KHz—25KHz，96dB動態(tài)范圍，不需要連接外部元件，可級聯(lián)，具有低功耗的關(guān)斷模式。通過7位寄存器（D0—D6）發(fā)出的數(shù)據(jù)改變二階低通濾波器的兩個電容值從而改變電路的截止頻率fc（Cutoff frequencies）1KHz到25KHz共分128檔。

　　單片機(jī)程控濾波器設(shè)計詳解

　　引腳功能：

　　SHDN：關(guān)斷控制，低電平時，OUTA，OUTB和OP OUT以及配置驅(qū)動均被關(guān)斷； WR：寫控制輸入，低電平是，將數(shù)據(jù)D0-D6寫入由地址A0選擇的程序存儲器中，高電平時數(shù)據(jù)關(guān)斷；

　　CS：片選輸入，低電平有效；

　　A0：三態(tài)地址輸入邏輯高電平，選擇濾波器A，邏輯低電平，選擇濾波器B； D6-D7：7位數(shù)據(jù)輸入。

　　單片機(jī)程控濾波器設(shè)計詳解

　　濾波模塊的電路如圖3-5所示，途中74HC373為八D鎖存器，當(dāng)LE為高電平時，單片機(jī)控制地址和數(shù)據(jù)的信號被鎖存在鎖存器中，當(dāng)LE轉(zhuǎn)為低電平時鎖存器打開，同時WR變?yōu)榈碗娖娇刂菩盘査腿隡AX270。通過控制MAX270的四條地址線A0-A3、兩條數(shù)據(jù)線D0、D1和一條允許控制線WR對MAX270進(jìn)行控制。

　　其引腳圖如圖3-4：

　　單片機(jī)程控濾波器設(shè)計詳解

　　3、操作及顯示模塊

　　利用單片機(jī)控制鍵盤顯示器8279、可編程計數(shù)器8254、可編程有源濾波器MAX270。其中8254是3通道16位可編程計數(shù)器，計數(shù)時鐘頻率可達(dá)10 MHz，可向MAX262提供精確的時鐘頻率fclkA和fclkB。

　　軟件設(shè)計

　　1、開發(fā)軟件及環(huán)境簡介

　　通過使用Keil軟件進(jìn)行前期仿真調(diào)試，通過后進(jìn)行實際電路的連接，并進(jìn)一步對各個參數(shù)進(jìn)行測試，用Proteus設(shè)計電路。 4.1.1 Keil

　　Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。

　　Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。

　　Keil的特點：

　　1）全功能的源代碼編輯器

　　2）器件庫用來配置開發(fā)工具設(shè)置

　　3）項目管理器用來創(chuàng)建和維護(hù)用戶的項目

　　4）集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應(yīng)用

　　5）所有開發(fā)工具的設(shè)置都是對話框形式的

　　6）真正的源代碼級的對CPU和外圍器件的調(diào)試器

　　7）高級的GDI（AGDI）接口用在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和Monitor-51進(jìn)行通信。

　　本次設(shè)計的匯編語言編程環(huán)境就是Keil，由它和仿真軟件Proteus關(guān)聯(lián)，進(jìn)行單片機(jī)的仿真和調(diào)試。

　　Proteus

　　Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。