1、毕 业 设 计 (论 文 )题 目 基于 MAX262 的程控滤波器设计 学生姓名 李伟 专业班级 电子信息工程 08-1 班 所在院系 电气信息学院 指导教师 宗静静 职称 讲师 所在单位 大连交通大学 教研室主任 贾世杰 完成日期 2012 年 6 月 16 日摘 要本设计由电源模块、M CU 控制器模块、显示模块、键盘控制模块、时钟产生模块、程控滤波器模块组成。使用 STC12C5A60S2 作为 MCU，发送频率控制状态字(FTW)使 AD9850(DDS)芯片产生的频率可调的正弦波，将产生正弦波的经由高速比较器模块的整形后充当步进时钟提供给程控滤波器模块，MCU 并辅以发送的程序状态
2、字于程控滤波器模块达到控制滤波器工作模式及相应滤波性能指标，最终实现预期滤波效果。本课题正是针对目前传统滤波器相应滤波性能指标相对固定、精度相对低等不足提出的，辅以开关电容滤波器的设计理念，兼顾数字化的控制过程，能够减少使用过程中的不确定因素和人为参与硬件设计的环节数目，有效地解决相应模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性，具有一定可借鉴价值。关键词：MCU DDS 低通滤波 程控滤波器ABSTRACTThis design consists of the power module, the display module, the keyboard
3、control module, the clock producing module and the programmable filter module. Using STC12C5A60S2 as MCU that sends a frequency tuning word (FTW) to AD9850 (DDS) chip which can produce a frequency-adjustable sine wave. After high-speed comparing, the wave was provided to the programmable filter modu
4、les as a marching clock. Then MCU sends PSW to the programmable filter modules to control the functional mode and performance index of the filter, so that this design can achieve the expected effects of filtering.This design is aimed at changing the shortcoming of traditional filters that the perfor
5、mance index is relatively fixed and the precision is relatively low. With the idea of Switched Capacitor Filter design and the digital control processing, this project can reduce uncertain factors such as factitious hardware designing procedures. This design can effectively solve engineering problem
6、s such as reliability, intelligentizing and product consistency, and greatly improve the production efficiency and product maintainability. It may have certain value in applications.Key words： MCU DDS Low-pass Filtering Programmable Filter 目 录第一章 绪 论 .11.1 研究的背景和意义.11.2 课题的研究对象.11.3 论文的结构安排.2第二章 滤波原
7、理概述 .32.1 滤波、滤波器的概念.32.2 滤波器的分类.32.3 滤波器的原理.32.3.1 三种典型滤波器概述.32.3.1.1 巴特沃兹滤波器.32.3.1.2 切比雪夫滤波器.32.3.1.3 贝赛尔滤波器.32.3.2 三种典型滤波器滤波特性对比.42.3.2.1 巴特沃兹滤波器.42.3.2.2 切比雪夫响应.42.3.2.3 贝赛尔响应.42.4 滤波器设计方法的 演变.42.5 开关 电容型滤波器的原理概述.62.5.1 开关电容型滤波器的基本原理.62.5.2 开关电容型滤波器的主要特性.72.5.3 集成开关电容型滤波器电路的类型和功能简介.7第三章 程控滤波器总设计
8、方案论证 .103.1 程控滤波器设计总体思路介绍.103.2 基于 MAX262 的程控滤波器设计方案论证 .103.2.1 时钟产生模块的论证与选择.113.2.2 程控滤波器模块的论证与选择.123.2.3 键盘模块的论证与选择.123.2.4MCU 控制模块的论证与选择 .133.2.5 显示模块的论证与选择.133.2.6 电源模块.13第四章 系统硬件设计与实现 .144.1MCU 控制器模块设计与实现 .144.1.1STC5A60S2 系列芯片简介 .144.1.2STC5A60S2 系列单片机引脚说明 .154.1.3MCU 控制器模块原理图 .154.2UI 界面模块设计与
9、实现 .154.2.1 显示模块设计与实现.164.2.2 键盘控制模块设计与实现.174.3 时钟产生模块设计与实现.174.3.1DDS 芯片 AD9850 简介 .174.3.2DDS 芯片 AD9850 引脚说明 .184.3.3 时钟产生模块原理图.184.4 程控滤波器模块设计与实现.184.4.1 程控滤波器芯片 MAX262 简介 .184.4.2 程控滤波器芯片 MAX262 引脚说明 .194.4.3 程控滤波器模块原理图.204.5 电源模块设计与实现.20第五章 系统软件设计与实现.225.1 系统功能描述.225.2 总程序流程图.22第六章 测试方案与测试结果 .2
10、36.1MAX262 实现低通滤波器测试结果 .236.2MAX262 实现高通滤波器测试结果 .256.3MAX262 实现带通滤波器测试结果 .276.4 数据分析.28结 论 .29谢 辞 .30参考文献 .31附 录 .32大连交通大学 2012 届本科生毕业设计1第一章 绪 论1.1 研究的背景和意义电子滤波器是一种可执行信号处理功能的电子线路元件或装置，它具有去除信号中不想要的成分或者增强所需成分的功能。电子行业的许多应用场合都要用到电子滤波器，并且对滤波器的要求也越来越高。比如测量系统从传感器拾取的信号中，往往包含有噪声及许多与被测量无关的信号，并且原始的测量信号经传输、放大、变
11、换、运算及各种其他的处理过程，也会混入各种不同形式的噪声，从而影响测量精度。这些噪声一般随机性强，很难从时域中直接分离，但限于其产生的机理，其噪声功率是有限的，并按一定的规律分布于频域某一特定的频带中。因此，信号分离电路一般采用电子滤波器实现噪声的抑制，提取所需的测量信号。但是一般系统中采用的滤波器的形式和截止频率往往是固定的，很难做到可调，这就给系统的设计带来一定的不便。其次，传统滤波器在工作时产生的误差会影响整个系统的精确度。由于低精度的滤波器在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对滤波器提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得好的市场
12、。传统滤波器功能单一，调节精度不高，用户使用人机界面不友好，而且性能指标经常跳变，使用麻烦。目前，随着集成电路技术的发展，已有高阶专用的开关电容滤波器芯片，但其价格高，电路噪声也不尽如人意，此外其还存在信号混叠问题，设计使用时对设计者能力要求较高。本课题程控滤波器系统是针对目前传统滤波器的不足提出的，辅以开关电容滤波器的设计理念，兼顾数字化的控制过程能够减少使用过程中的不确定因素和人为硬件设计参与的环节数，有效地解决相应模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。1.2 课题的研究对象开关电容滤波器是由受时钟信号控制的开关和电容器组成的滤波电路。它是利用
13、电荷的存储和转移来实现对信号的各种处理功能。因此，开关电容滤波器的使用可以很好地解决滤波器的形式和截止频率固定的问题，即可由所需滤波函数产生相应带通、低通、高通、陷波和全通配置的滤波器。目前，国外已批量生产了各种单片集成开关电容滤波器并可实现程控滤波的效果。单片集成开关电容滤波器不 需 要 添 加 外 部 元 件 即 可 实 现 相 应 滤 波 效 果 ， 并 且 可 在 微处 理 器 的 系 统 程 序 内 设 置 滤波器中 心 频 率 、 品 质 因 数 和 滤 波 器 所 处 工 作 方 式 的0fQ相 应 控 制 状 态 字 以 达 到 相 应 程 控 目 的 ， 进 而 实 现 不
14、同 类 型 的 滤 波 器 。 并 且 其 滤 波 功大连交通大学 2012 届本科生毕业设计2能 及 实 时 性 好 、 响 应 速 度 快 ， 因 此 为 广 大 用 户 所 喜 欢 。本课题源自于索尼杯 2007 全国大学生电子设计竞赛 D 题，要求设计基于MAX262 的程控滤波器，其中微处理器选用 8051 架构处理器，步进时钟通过 DDS 芯片间接产生，辅以相应良好的人机交互界面(UI 界面 )构成硬件系统。通过本次程控滤波器的系统设计，可以增强滤波器系统设计能力和发现问题、分析问题、解决问题的能力。1.3 论文的结构安排论文各章的内容安排如下:第一章是绪论部分，介绍论文选题的背景
15、，论文的主要研究对象和结构安排。第二章介绍滤波器原理，并着重介绍开关电容型滤波原理。第三章介绍介绍程控滤波器总设计方案论证，其中包括各个模块设计方案综述。第四章介绍本课题系统硬件各模块设计与实现。第五章介绍本课题系统软件各模块设计与实现。第六章介绍本课题测试方案与测试结果。大连交通大学 2012 届本科生毕业设计3第二章 滤波原理概述2.1 滤波、滤波器的概念滤波就是将多种频率的信号经过处理得到想要的特定频率的信号，即将有用的信号中的杂波信号滤除，或者是将多种信号中的特定频带保留。滤波器就是利用一些特殊元器件的特性，将有用信号取出，所以滤波就出现早期的 RC 滤波、 LC 滤波及混合滤波的概念
16、。2.2 滤波器的分类自 从 滤 波 器 登 上 了 历 史 舞 台 ， 滤 波 器 的 设 计 结 构 思 路 也 经 历 多 次 演 变 ， 进 而 产 生不 同 设 计 分 类 。 根 据 滤 波 器 的 特 性 和 应 用 场 合 及 结 构 形 式 等 可 以 有 如 下 的 不 同 分 类方 法 ：(1) 从 设 计 功 能 上 分 为 ： 低 通 、 高 通 、 带 阻 、 带 通 、 全 通 。(2) 从 设 计 方 法 上 来 分 为 ： 切 比 雪 夫 滤 波 器 、 巴 特 沃 兹 滤 波 器 、 贝 塞 尔 滤 波 器 等 。(3) 从 处 理 信 号 上 来 分 为
17、： 经 典 滤 波 器 、 现 代 滤 波 器 。(4) 从 处 理 信 号 形 式 上 分 为 ： 数 字 滤 波 器 ， 模 拟 滤 波 器 。其 中 数 字 滤 波 器 、 模 拟 滤 波 器 又 可 细 分 为 ：(1) 从 数 字 滤 波 器 实 现 方 法 上 又 分 为 ： FIR、 IIR。(2) 从 模 拟 滤 波 器 实 现 方 法 上 又 分 为 ： 有 源 滤 波 器 ， 无 源 滤 波 器 。2.3 滤波器的原理2.3.1 三种典型滤波器概述2.3.1.1 巴特沃兹滤波器巴特沃兹滤波器具有尽可能平 坦 的 通 带 幅度响应。截止频率的衰减设计为- 3dB。高于截止频率
18、的频带衰减具有适中的斜率2 0dB 滚降每十倍频程每极点。巴特沃兹滤波器的脉冲响应具有适当的过冲及振铃。2.3.1.2 切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器与巴特沃兹滤波器相比，此类型的滤波器在通带以外的衰减更为陡峭该优点是以牺牲通带内的幅度变化量为代价的。与巴特沃兹及贝赛尔响应不同，切比雪夫滤波器的截止频率定义为响应滚降至低于纹波带的频点。对于偶数阶滤波器而言，所有纹波均高于 0 dB 增益的直流响应，因此截止频点位于 0 dB 衰减处。对于奇数阶滤波器来说，所有的纹波均低于 0 dB 增益的直流响应，截止频率则定义为低于纹波带最大衰减点。在极点数量一定时，增加通带纹波可实现更陡峭截止。相对于巴特沃
19、兹滤波器而言，切比雪夫滤波器的脉冲响应具有更大的振铃。2.3.1.3 贝赛尔滤波器大连交通大学 2012 届本科生毕业设计4贝赛尔滤波器也称为汤姆逊型滤波器。由于其线性相位响应特性，使得此类滤波器具有最优的脉冲响应性能。对于给定的极点数量而言，贝赛尔的幅频响应并不如巴特沃兹平坦，- 3dB 截止频率以外频带的衰减也不如巴特沃兹陡峭。尽管须采用更高阶的贝赛尔滤波器来逼近给定的巴特沃兹滤波器的幅频响应，但考虑到贝赛尔滤波器的脉冲响应保真度，增加一定的设计复杂性也是物有所值的。2.3.2 三种典型滤波器滤波特性对比2.3.2.1 巴特沃兹滤波器优 点 ： 巴 特 沃 兹 滤 波 器 提 供 了 最
20、大 的 通 带 幅 度 晌 应 平 坦 度 ， 具 有 良 好 的 综 合 性能 。 其 脉 冲 响 应 优 于 切 比 雪 夫 ， 衰 减 速 度 优 于 贝 赛 尔 。缺 点 ： 阶 跃 响 应 存 在 一 定 的 过 冲 及 振 荡 。2.3.2.2 切比雪夫响应优 点 ： 与 巴 特 沃 兹 相 比 ， 切 比 雪 夫 滤 波 器 具 有 了 更 良 好 的 通 带 外 衰 减 。缺 点 ： 通 带 内 纹 波 令 人 不 满 ， 阶 跃 晌 应 的 振 铃 较 严 重 。2.3.2.3 贝赛尔响应 优 点 ： 贝 赛 尔 滤 波 器 具 有 最 优 的 阶 跃 响 应 非 常 小 的
21、 过 冲 及 振 铃 。缺 点 ： 与 巴 特 沃 兹 相 比 ， 贝 赛 尔 滤 波 器 的 通 带 外 衰 减 较 为 缓 慢 。2.4 滤波器设计方法的演变 (1) 设 计 无 源 滤 波 器无 源 滤 波 器 可以设计为无源 RC 滤波器、无源 LC 滤波器等，主要使用相应无源元器件实现滤波电路，具体设计电路示意图如下图 2-1 所示：图 2-1 无源滤波示意图无源滤波网络多以分离元件组成，不易大规模集成。(2) 设 计 有 源 滤 波 器有源滤波器的结构组成：由无源元器件(例如：电感、电容、电阻等)及有源放大器大连交通大学 2012 届本科生毕业设计5等组成的有源网络，具体设计电路示
22、意图如下图 2-2 所示：图 2-2 有源滤波示意图有 源 滤 波 网 络 多 以 分 离 元 件 与 小 规 模 集 成 运 放 组 成 ， 不 易 大 规 模 集 成 。(3) 开 关 电 容 型 滤 波 器开关电容型滤波器由 MOS 电容、电子开关和有源放大器等组成。值得一提的是开关电容型滤波器性能更像数字滤波器，具体设计电路示意图如下图 2-3 所示：图 2-3 开关电容型滤波器示意图滤波网络多以 MOS 管、电子开关、小规模集成运放等组成，易实现大规模集成。(4) 数 字 滤 波 器数字滤波器的设计一般方法为:由 MATLAB 工具软件设计数字滤波器达到预期效果后,并在 DSP 上或 FPGA 上实现。其中数字滤波器的基本硬件模块可以采用加法器、乘法器、延时器等基本硬件结构设计实现。近年来开始使用 FPGA 实现数字滤波器已成为趋势，具体设计电路示意图如下图 2-4 所示：图 2-4 使用 FPGA 设计数字滤波器示意图
