1、程控滤波器设计说明摘要：本设计为基于单片机的多档位程控滤波器， 采用OP07进行信号放大，MAX262进行多种频段滤波； 信号输入部分用MAX038 多种输入切换，信号输出部分用ADC0809制作了简易电压表，配合最大值保持电路， 完成电压输出。各部分的档位切换均通过89C52单片机控制八选一开关CD4051实现。 本设计实现了可调频率的波形发生、对给定小输入信号的放大、滤波并实时记录峰值的功能，程控滤波器具有使用灵活、调试容易的特点，并且能够实现高通、低通、椭圆滤波等功能。1 系统设计总体方案根据题目要求，要求放大器增益可调，滤波器类型可调，截止频率在1kHz-20kHz 范围可调，同时要具
2、有参数设置显示功能。其中信号输入、信号输出、放大器、滤波器各部分功能相对独立，同时考虑到制作调试的方便， 本设计采用各个模块独立设计、独立控制的实现方案。 系统共使用4个MCS-51 系列单片机89C52 配合多路开关进行各部分程序控制，参数的设置和显示分别通过键盘和显示模块CH451实现。系统总的结构图如下：图1 系统总体框图器件选择：MAX262 是CMOS双二阶通用开关电容有限滤波器，通过微处理器精确控制滤波函数。它可构成各种带通、低通、高通滤波器，且不需外部器件。每个器件含有两个二阶滤波器，可以通过程序控制设置参数和工作方式， 满足题目基本部分和发挥部分的全部滤波要求。MAX038是高
3、频、高精度、低输出电阻、驱动能力强(20mA) 的函数信号发生器芯片。输出频率范围: 0. 1 20 MHz，可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波及脉冲波，输出频率和占空比(15 %85 %) 独立可调，带低输出阻抗的输出缓冲器，可以实现对输入信号和扫频信号的要求。 放大部分初始设计选择了AD521和OP07，经检验发现AD521放大误差较大，不能满足要求，改用OP07。根据题目，基本部分电压放大增益40dB， 发挥部分电压放大增益60dB, 一个OP07 不能满足要求，故采用两个OP07串联的形式，每个增益30 dB.经过滤波的电压在输出前再次经过一个OP07进行放大，经一个阻容回路进行最大值
4、保持，最后输出，信号同时送个一个由单片机和ADC0809构成的简易电压表进行显示。 系统中用到4个CH451芯片，它是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及P 监控的多功能外围芯片，内置RC 振荡电路，可以动态驱动LED、具有闪烁、移位等功能；同时还可以进行64 键的键盘扫描。CH451通过1 线或者可以级联的4 线串行接口与单片机等交换数据。本设计中所有键盘显示功能均由CH451芯片实现。 程序流程系统由4个CPU分别控制，各部分有独立的程序进行控制， 程序流程主要分为初始化、选择切换，显示结果几个部分。其中滤波部分的程序流程如下：关于程序设计的相关问题说明：系统中共涉及4 组程序，分别
5、完成二阶、四阶低通、高通滤波，并能够设置并显示截止频率，设置范围在20k-100khz等功能。 2 技术要点分析滤波器设计原理说明本设计采用的MAX262， 其效果接近模拟滤波器，故采用模拟滤波器设计方案进行设计。在若干典型滤波器中，Butterworth具有单调下降的幅频特性，椭圆滤波器的选择性则较好。 Butterworth低通滤波器的幅度平方函数用下式表示： 其中为3dB处截止频率，是滤波器的阶数。当时，随着频率加大，幅值迅速下降。 下降的速度与阶数N有关， N越大，幅度下降的速度越快，过渡带越窄。根据题目基本要求，在处滤波器的幅值衰减比例不能大于30dB/40dB=0.75. 根据上式
6、计算，条件下， 则 =0.2425选择二阶Butterworth和椭圆滤波器，在不同频段选择不同的滤波器类型和阶次。输入信号频率选择及放大部分：MAX038通过选择控制端A0 ,A1 的电平选择一种波形(见表1)， 输出频率主要受振荡电容CF、IIN 端电流和FADJ 端电压的控制。选择一个CF 值,对应IIN 端电流的变化,将产生一定范围的输出频率。滤波器部分设计：采用单片机89C52来完成对可编程滤波器MAX262的控制，很好地实现了有源滤波器设计工作。根据fCLK/f0与F0F5的关系表格，得到fCLK/f0计算编程数据F0F5的公式，即fCLK/f0与F0F5的关系为：fCLK/f0=
7、40.84+1.57N1 (1)或，N1为二进制数据F0F5对应的十进制整数，范围为063共64级。对应滤波器的Q值也采用查表的方法和计算来获得Q值的编程数据Q0Q7。Q值与Q0Q7的关系为：Q=64/(128-N2) （3）或 N2=64(2-1/Q) （4）其中，N2为二进数据Q0Q6对应的十进制整数，范围为0127共128级。程序运行中，首先根据输入的键值完成对滤波器的选择，包括滤波器A和B的设置选择以及相应滤波器的类型选择；然后根据输入的Q值计算N2并转换成二进制编程数据Q0Q6送片内RAM；再由输入的中心频率f0值计算N1并转换为二进制编程数据F0F5送片内RAM。在获得MAX262
8、的工作参数后，将这些参数转换为8字节的编程数据，由89C52送到MAX262。设置完成后，MAX262就按照当前所要求的中心频率和Q值对输入信号进行滤波处理。然后调用显示子程序，在LED数码管显示当前滤波器的工作参数，即中心频率和Q值。二阶滤波结果从LPA端输出，四阶滤波通过滤波器A和B的级联来实现， 从LPB端输出。高通滤波从HPA段输出。 图3 滤波部分电路示意图3 测试方案和结果 3 1放大器测试首先进行静态测试：输入信号设为10mV, 将放大器芯片OP07的设置从-3dB, 到 0dB, 10 dB, 20 dB, 30 dB, 40 dB, 50 dB, 60 dB 依次变化，测量输
9、出侧电压，经过电阻调整，达到各档位误差均不超过5% ；理论值粗调后的测量值误差精调后的测量值误差-3dB7.1mV6.5 mV8.4%7.0mV1.4%0dB10 mV8.8 mV12.0%9.8 mV2.0%10dB31.6 mV28.4 mV10.1%30.5 mV3.5%20dB100 mV94.2 mV5.8%99.7 mV0.3%30dB316 mV0.275 V12.9%0.309 V2.2%40dB1000 mV0.889 V11.1%0.982 V1.8%50dB3162 mV2.64 V16.4%3.09 V2.2%60dB10 V9.12 V8.8%9.73 V2.7%32
10、滤波器测试输入不同频率正弦波进行测试，结果表明可以对截止频率进行设置，并实现低通、高通滤波功能。在测试中，选择截止频率为10khz，输入信号为幅值1v的正弦波，对输入信号进行频率调整，输出信号情况如下：输入频率功能输出幅值功能输出幅值1khz高通0V低通1V2khz高通002V低通1V5khz高通03V低通1V10khz高通08V低通08V20khz高通09 V低通05 V30khz高通1 V低通02 V33波形发生器测试 设计频率实测频率100hz107hz10k12k20k23k30k29k40k42k50k53k60k62k70k69.5k90k88k100k105k110k112k120k123k130k132k140k143k150k155k3.4正弦波幅值测量表测试静态测试：给定幅值测量幅值0v0.01v1v0.99v2v2.01v3v3.02v4v4.01v5v4.94v动态测试：40khz以下功能实现正常。 程控滤波器设计报告 组别：0B7229
