1、第 1 页 共 57 页增益和参数可设置的程控滤波器的设计摘要介绍了一种以 AT89C52 为控制核心，利用 MAX262 实现的新型程控滤波器，-3dB 截止频率在 1 到 40KHz 范围内可调。仔细论述了系统的硬件组成、各功能部分的设计，给出了关键功能部分的电路图、单片机的程序设计。系统在实际应用中，工作稳定可靠。分析了 CMOS 双二阶通用开关电容有源滤波器 MAX262 中心频率 f0、品质因素Q 和工作方式，以及采用 MAXIM 滤波器设计软件补偿偏离连续连续滤波器参数的方法。介绍了自动控制系统中基于 MAX262 的程控滤波器的设计原理及流程，给出了具体的电路及程序。详细说明了
2、MAX262 的 f0 和 Q 编程、振荡器和时钟输入、微处理器接口。对 MAX262 进行可调节控制，本作品操作便捷、控制简单、界面友好，用单片机对可编程滤波器芯片 MAX262 进行程序控制，可以同时对两路输入信号进行二阶低通，高通滤波处理。滤波器的中心频率在 1K-20K 频率范围内，10mV 的输入信号经过放大,进而得到滤波器的输入信号。我们采用仪表放大器来对信号进行放大,仪表放大器 AD603通过改变外围电路来改变其放大倍率。关键词：MAX262, AD603, AT89C52, 程控滤波第 2 页 共 57 页Programmable filter design whose gai
3、n and the parameters can be set Abstract This paper introduces a programmable filter untiliazing MAX262，and using AT89C52 as control core, and it can achieve an -3dB cutofff frequency adjustable in 1kHz-40kHz. It describes the hardware composition of the system, the circuit design of all functional
4、part, and gives out the circuit diagrams of main functional parts and the programming of single-chip microcomputer.This system works stable and reliable at actual application.The center frequency f0, Q and work mode of the MAX262 COMS active filter with dual second-order universal switched-capacitor
5、 is analyzed. The method for compensting data of the filter with using the design software for MAXIM filter is presented. The design principle and process of digital programmable filter based on MAX262 in automatic detection system, and its circuits and program are introduced. The f0 and Q programmi
6、ng of MAX262, oscillator and clock input, microprocessor interface is studied in detail. This procduction operates conveniently, controls simply, and the interface is good, using singlechip to control the MAX262,which can deal with the import signal of two road,the central frequency of filter is 1K-
7、 20K.because the import signal of 10 mV is enlarged , then it gets a filter of import signal.we adopt the amplifier to enlarge the signal, the AD603 change its zoom out rate by periphery circuit,circle electric circuit to change it enlarge magnification.Key Words: MAX262, AD603, AT89C52, Programmabl
8、e filter1 绪论第 3 页 共 57 页1.1 本课题研究的背景及意义滤波是信号处理的一种最基本的重要技术。利用滤波技术可以从接收到的信号中提取有用的信息或信号，抑制或消除无用的或有害的干扰信号。滤波器正是采用滤波技术具有一定传输选择性的信号处理装置。滤波器将抑制信号中不需要的成分，而使其中需要的成分得以传输至输出 1,2。因此，滤波器的功能可理解为对输入信号进行某种运算、处理并变换为人们所需要的输出信号。单片机也被称为微控制器（Microcontroller） ，是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 C
9、PU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中 3。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航
10、天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：（1）在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪） 。（2）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二
11、级控制系统等。（3）在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、第 4 页 共 57 页电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。（4）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。（5）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦
12、相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。（6）在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理） ，就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于 ROM） ，由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡） 。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。（7）单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽
13、车中的发动机控制器，基于 CAN 总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS 导航系统，abs 防抱死系统，制动系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.2 程控滤波器技术的发展史滤波器科学有着悠久的历史，当前正处在高度发展之中，随着电流模式新器件的发展，新的滤波技术也不断发展。近年来，电流传输器滤波器被证明极有发展前途，该技术的点是:高频性能好，输出多功能，利于集成 11。未来电流模式电路将成为滤波器发展的主流。最近几十年，滤波器电路已大量渗入现代电子与信息领域的方方面面。在现代通第 5 页 共 57 页信和信号处理方面，电话、电报、电视、无线电
14、、雷达、声纳和太空人造卫星等只不过是以滤波器作为它们的重要部件的一些例子而己 12。超大规模集成电路技术发展的最主要的动力也是来源于制作全集成高质量模拟滤波器的需要。滤波器的发展己经并且还正在日益加速改变计算机、通信、微电子技术、信息科学、控制和机器人等技术的面目 13。近二十年来，得到迅速发展的人工神经网络技术就是例证，滤波器正朝着低成本、高集成度、高频信号处理能力和低电源和微功耗等方向发展，在此过程中，出现了许多新型有源滤波器的电路和设计方法。早在 19 世纪 80 年代，电阻、电容滤波电路就已经出现。具有频率选择功能的电感、电容谐振回路可作为最简单的滤波器。于 1915 年德国 K.W.
15、华格纳和美国贝尔实验室的 G.A.坎贝尔，分别提出关于滤波器的论文，已被世界公认为滤波器的独立发明者。1923 年以后，贝尔实验室的 O.J.查贝尔提出定 K 型、m 诱导型影像参数滤波器设计方法。1939 年德国 W.考尔和美国 S.达灵顿分别提出工作参数滤波器设计理论。由于许多电路和系统都要区分不同频率的信号，滤波器遂被广泛地用在通信、广播、雷达以及许多仪器和设备中 14。许多复杂的多级 LC 滤波器也已经存在了好多年了，有许多这方面的书籍讲述这类滤波器的工作。最古老的电子滤波器形式是使用电阻和电容或者电阻和电感构建的无源模拟线性滤波器，它们分别叫做 RC 和 RL 滤波器。人们也开发了一
16、些混合滤波器，典型的例子有将模拟放大器与机械共鸣器或者延时线组合在一起 15。如 CCD 延时线这样的设备也用作离散时间滤波器。由于数字信号处理的广泛应用，有源数字滤波器已经变得常见。1.3 本课题的相关原理1.3.1 滤波器概述（1）按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种 4。（2）按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 第 6 页 共 57 页带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它
17、抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 （3）按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。 无源滤波器：仅由无源元件(R、L 和 C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感 L 较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。 有源滤波器：由无源元件(一般用 R 和 C)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相
18、互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件） ；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用 5。1.3.2 程控滤波器中单片机概述现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从 8 位、16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地 6。 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： （1
19、）低功耗 CMOS 化 MCS-51 系列的 8031 推出时的功耗达 630mW，而现在的单片机普遍都在 100mW 左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺) 7。CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合 8。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径 第 7 页 共 57 页（2）微型单片化
20、 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D 转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将 LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大 9。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中 SMD(表面封装)越
21、来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。（3）主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 80C51 为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品，ATMEL 公司的产品和中国台湾的Winbond 系列单片机。所以 C8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的 HOLTEK 公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品，日本几大公司的专用单片机 10。在一定的时期内，这种情形将得
22、以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。1.3.3 程控滤波器系统工作原理程控滤波器硬件原理框图如图 1.1 所示，主要由键盘，LED 显示模块、单片机模块、放大器模块，滤波器模块四部分组成。LCD 显示放大器 滤 波键 盘单片机第 8 页 共 57 页图 1.1 程控滤波器硬件原理框图1.4 本论文的结构安排本设计各章内容安排如下：第一章介绍了课题的研究背景、研究意义以及其国内外研究现状，结合相关的基础理论知识；第二章对总体方案论证，拟定总体实现方案，并对各个部分的相关理论知识加以介绍，同时对相关器件进行比较并作出选择；第三章分析了总体方案中的
23、硬件部分，主要是运用 Protel 99 绘制电路原理图；第四章分析了总体方案中的软件部分，主要包括编写汇编语言和调试相关程序，并应用 Proteus 对其进行仿真，得到较为准确的仿真结果。第五章主要对系统的误差进行了分析，并研究了影响同步秒脉冲的主要因素及其提高精度的方法。第六章对本文的研究内容进行了系统总结，并根据课题的要求和国内外的现状，分析了课题的前景。1.5 本章小结本章主要介绍了课题的研究意义及背景，简单介绍了程控滤波器的国内外发展史，最后介绍了本论文的主要设计工作和章节安排。第 9 页 共 57 页2 总体方案的概述及其各个部分原理的介绍程控滤波器具有很多优点。事实上，如同一般滤
24、波器一样，程控滤波器现在在现实社会中被人们广泛使用。但在现实生活中，为了取得更高精度的滤波效果我们需要对各部分硬件芯片合理选择。本章我们主要研究芯片相应功能，应用各模块相应硬件芯片实现具有较高精度的程控滤波器。2.1 系统方案的设计通过对程控滤波器相关原理的学习，查阅滤波器的背景知识以及单片机的相关资料，针对本课题的要求，我们可以采用各种符合要求的芯片完成对程控滤波器的设计，整个原理框图如图2.1所示：图2.1 程控滤波器设计总体框图其基本工作过程为：放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，经过放大模块中放大倍数受单片机控制的第 10 页 共 57 页两级AD603放大后，下一步就可以输入滤波模
25、块。放大模块输出的信号直接接到MAX262滤波芯片的信号输入端，在单片机的协助下对放大后的信号按要求进行高通和低通滤波然后输出。至于是低通还是高通以及剪切频率的大小都由与单片机连接的矩阵键盘输入，并且在LCD1602显示屏上显示操作。本系统由放大模块、滤波模块、键盘和显示模块组成，并用protel 99绘出电路图。整体原理图在附录A中给出。2.2 硬件控制核心部分在本系统设计中，按照设计要求程控就需要有单片机。而且单片机应该是连接整个系统所有部件的控制核心。下面介绍一下在此系统设计时所用单片机 AT89C52。AT89C52 是 51 系列单片机的一个型号，它是 ATMEL 公司生产的。AT8
26、9C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM ） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52 可以按照
27、常规方法进行编程,但不可以在线编程(S 系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。AT89C52 有 PDIP、PQFP/TQFP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。2.2.1 AT89C52各引脚功能及管脚电压AT89C52P 为 40 脚双列直插封装 8 位通用微处理器，采用工业标准的 C51 内核，在内部功能及管脚排布上与通用 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试
28、图控制，红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。 P0P3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（ 3239 脚）被定义为 N1 功能控制端口，分别与 N1 的相应功能管脚相连接，13 脚定义为 IR 输入端，10 脚和 11 脚定义为第 11 页 共 57 页I2C 总线控制端口，分别连接 N1
29、 的 SDAS（18 脚）和 SCLS（19 脚）端口，12 脚、27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻
30、16。P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与 AT89C51 不同之处是， P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX） 。P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口 P2 写“1” ，通过内部
31、的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和一些控制信号。P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（I
32、IL） 。P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST 复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据第 12 页 共 57 页存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（
33、PROG） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。PSEN 程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。EA/VPP 外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000HFFFFH） ，EA
34、 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 Vcc 端） ，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。XTAL1 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2 振荡器反相放大器的输出端。2.2.2 特殊功能寄存器在 AT89C52 片内存储器中，80H-FFH 共 128 个单元为特殊功能寄存器（SFE） 。并非所有的地址都被定义，从 80HFFH 共 128 个字节只有一部分被定义，还
35、有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0” 。AT89C52 除了与AT89C51 所有的定时/计数器 0 和定时/计数器 1 外，还增加了一个定时/计数器 2。定时/计数器 2 的控制和状态位位于 T2CON、T2MOD ，寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器 2 在 16 位捕获方式或 16 位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。2.2.3 数据存储器AT89C52 有 256 个字节的内部 RAM，8
36、0H-FFH 高 128 个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高 128 字节的 RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问 7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高 128 字节 RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器 0A0H（即 P2 口）地址单元。MOV 0A0H，#data 间接寻址指令访问第 13 页 共 57 页高 128 字节 RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0 的内容为 0A0H，则访问数据字节地
37、址为 0A0H，而不是 P2 口（0A0H）MOV R0，#data 堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高 128 位数据 RAM 亦可作为堆栈区使用。定时器 0 和定时器 1：AT89C52 的定时器 0 和定时器 1 的工作方式与 AT89C51 相同。 2.2.4 Flash 存储器的编程AT89C52单片机内部有8k字节的Flash PEROM，这个Flash 存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH） ，用户随时可对其进行编程 19。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPR
38、OM 编程器兼容。AT89C52 单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息。AT89C52 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM 程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。2.2.5 编程方法AT89C52 编程方法如下：（1）在地址线上加上要编程单元的地址信号。 （2）在数据线上加上要写入的数据字节。 （3）激活相应的控制信号。 （4）在高电压编程方式时，将 EA/Vpp 端加上+12V 编程电压。 （5）每对 Flash 存储阵列写入一个字
39、节或每写入一个程序加密位，加上一个 ALE/PROG 编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为 1.5ms。重复 15 步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。2.2.6 数据查询AT89C52 单片机用Data Palling 表示一个写周期结束为特征，在一个写周期中，如需读取最后写入的一个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，所输出的数据是有效的数据，即可进入下一个字节的写周期，写周期开始后，Data Palling 可能随时有效 18。Ready/Busy：字节编程的进度可通过“RDY/BSY 输出信号监测，编程期间，
40、ALE 变为高电平“H”后，P3.4（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态） 。编程完成后，P3.4 变为高电平表示准备就绪状态。程序校验：如果加密位LB1、LB2 没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据。加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。芯片擦除：利用控制信号的正确组合并保持第 14 页 共 57 页ALE/PROG引脚10mS 的低电平脉冲宽度即可将PEROM 阵列（4k字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1” ，这步骤需再编程之前进行。读片内签名字节：AT89C52 单片机内有3个
41、签名字节，地址为030H、031H 和032H。用于声明该器件的厂商、型号和编程电压。读AT89C52 签名字节需将P3.6 和P3.7 置逻辑低电平，读签名字节的过程和单元030H、031H 及032H 的正常校验相仿，只返回值意义如下:（030H）=1EH 声明产品由ATMEL公司制造,（031H）=52H 声明为AT89C52单片机,（032H）=FFH 声明为12V编程电压,（032H）=05H 声明为5V编程电压。2.3 本章小结在整个程控滤波器系统中，单片机是作为一个领导者连接和控制着从放大、滤波到输入和显示所有模块，所以在本章中把作为单独一章来介绍单片机体现了单片机在整个系统至关
42、重要的作用。第 15 页 共 57 页3 系统硬件设计在上一章中介绍了单片机这个控制核心，下面本章我来介绍一下单片机具体控制系统设计中的关键芯片来达到设计任务的要求。3.1 放大模块中运放芯片的选择按照设计任务要求，在原始信号输入后，进入滤波器模块之前，必须对信号进行放大后才能进行滤波，否则会对滤波效果产生很大影响。因此，放大芯片AD603是本设计中必不可少的一部分。3.1.1 程控放大芯片 AD603AD603的特点、内部结构和工作原理（1）AD603的特点 AD603是美国 AD 公司继 AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控 VGA 芯片。可用于 RF/IF 系统中的
43、 AGC 电路、视频增益控制、A/D 范围扩展和信号测量等系统中。（2）AD603引脚排列及极限参数AD603的引脚排列如图3.1所示。AD603的极限参数如下：电源电压 Vs：7.5V；输入信号幅度 VINP：+2V；增益控制端电压 GNEG 和GPOS：Vs；功耗：400mW；工作温度范围：AD603A：-4085；存储温度：-65150。（3）AD603内部结构及原理AD603内部结构图如图3.1所示 17。AD603由一个可通过外部反馈电路设置，固定增益 GF（31.0751.07）的放大器、0-42.14dB 的宽带压控精密无源衰减器和40dB/V第 16 页 共 57 页的线性增益
44、控制电路构成。 AD603利用了 X-AMP 由一个0-42.14dB 的可变衰减器及一个固定增益放大器构成。其中，可变衰减器由一个七级 R-2R 梯形网络构成，每级的衰减量为6.02dB，可对输入信号提供0-42.14dB 的衰减。X-AMP 结构的一个重要优点是优越的噪声特性，在1MHz宽带，最大不失真输出为1Vrms 时，输出 x 信噪比为86.6dB。连续控制下的输入增益控制计算。图 3.1 AD603 原理图AD603的简化原理框图如图3.1所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成 20。图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，
45、衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值 VG 有关，由于控制电压 GPOS/GNEG 端的输入电阻高达50M，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图3.2中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当 VOUT 和 FDBK 两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样。当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10，这时的增益范围在-1030dB。当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为1050dB 21。（4）工作原理概述信号从精密无源梯形网络的输入端输入，
46、对输入信号的衰减量由高阻（50兆欧）低偏流差分输入的增益控制电路的控制电压 VG（VGPOS-VGNEG）决定，即由 VG 控制梯形网络的“滑动触点”至相应的“节点”处，可实现0-42.14dB 的衰减。固定增益放大器的增益 GF 通过 VOUT 与 FDBK 端连接形式确定，当 VOUT 与 FDBK 端第 17 页 共 57 页短路连接时，GF=31.07dB；当 VOUT 与 FDBK 之间开路时，GF=5.07dB；在 OUT 与 FDBK之间外接意的电阻 REXT，可将 GF 设置为31.0751.07dB 之间的任意值。值得注意的是，在该模式下其增益精度有所降低，当外接电阻为2千欧
47、左右时，增益误差最大 27。若在 VOUT 与 FDBK 端连接一个电阻可获得一个稍高的增益，最大增益约为60dB。该放大模块设计采用两片AD603顺序连接，两极间以电容耦合。由于一片AD603在已定制的模式下增益为-10dB30dB，带宽为90 MHz，故级联方式可使增益达到-20dB 60dB，控制电压为 0V2V。该控制电压由单片机控制8位A/D 转换器ADC0832产生，其精度可达2 V/256=0.0078125V。增益精度可达 0.3125dB。因此，完全可满足系统发挥部分中增益40dB，步进10dB的要求。增益控制的核心电路由可变增益运算放大器AD603和精密运算放大器ADOP3
48、7组成。其中以AD603为核心辅以外围电路实现程控放大器，其增益与控制电压成线性单片机控制D/A输出控制放大增益。其电路原理图如图 3.2所示。图3.2 程控放大模块原理图3.1.2 数模转换芯片 DAC0832由于本设计中要求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，所以D/A转化芯片是必须要有的。在此选择 DAC0832作为以单片机输出来控制AD603放大倍数的转换芯片。DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存
49、器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成 22。第 18 页 共 57 页在此模块中DAC0832是主要的程控芯片，利用其数模转换功能来控制介绍的上一芯片来达到程控的目的。也就是要实现增益40dB，步进10dB可调。因此，这个数模转换芯片实在整个系统中必不可少的。下面介绍一下该器件的资料以及电路原理方面的知识。DAC0832内部结构资料:芯片内有两级输入寄存器，使 DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路 D/A 异步输入、同步转换等) 。 D/A 转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过 RFB 端引用片内固有电阻，还可以外接。该片逻辑输入满足 TTL 电压电平范围，可直接与 TTL 电路或微机电路相接，下面是芯片电路原理图如图3.3。图3.3 DAC0832引脚图DAC0832是采用 CMOS 工艺制成的单片直流输出型8位数/ 模转换器 23。如图3.4所示，它由倒 T 型 R-2R 电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压 VREF 四大部分组成。运算放大器输出的模拟量 V
