程控滤波器毕业论文
题目：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2f c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
This system can realize the digital programmable filter and also could intercalate the gain of amplifier, the passband parameter and cut-off frequency of LPF or HPF could be intercalated. The hardware uses MCU(AT89C52)as the core to control the system, it consist of the PGA103、MAX262、the four-order elliptic low-pass filter and DDS an so on. The amplifier uses the PGA103, the fixed gain of amplifier is 60dB, the AT89C52 control the AD7520, it could realize the controled 10dB gain, the error has 5%. The LPF and HPF are realized by the programmable switched-capacitor filter integrated chip MAX262, the chip is controled by the AT89C52, the voltage gain of amplifier and filter is 30 dB in the 2fc, DDS theory is adopted to produce Amplitude-frequency characteristics tester. The design of the system is simple, it is very convenience. In this article, system simulation using multisim achieve programmable filtering.
[Keywords]AT89C52,elliptic,low-pass ,filter,MAX262,Amplitude-frequency,characteristics tester
目录
一、引言 (1)
（一）课题背景 (1)
（二）滤波器的发展 (1)
（三）论题的设计与要求 (2)
（四）滤波器的分类 (2)
（五）本文的研究内容 (4)
二、系统组成 (5)
（一）程控滤波器的总体说明 (5)
1、程控放大器电路 (5)
2、程控滤波器电路 (6)
3、幅频特性测试设计 (6)
（二）系统主要单元电路设计 (7)
1、系统简介 (7)
2、程控放大器电路 (8)
3、程控滤波电路 (8)
4、四阶椭圆低通滤波器设计电路 (10)
5、幅频特性测试设计 (12)
6、峰值检波电路 (14)
三、系统电路详解 (17)
（一）器件介绍 (17)
1、单片机AT89C52 (17)
2、滤波器芯片MAX262 (18)
3、固定放大器PGA103 (20)
4、AD7520 (21)
（二）功能电路图 (22)
1、程控放大电路 (22)
2、程控滤波电路 (23)
3、系统总机电路 (25)
（三）系统测试及其结果 (27)
1、放大器测试及其结果 (27)
2、低通滤波器测试及其结果 (28)
3、椭圆滤波器测试及其结果 (29)
4、幅频特性测试及其结果 (30)
5、误差分析 (30)
四、软件设计 (30)
（一）系统软件设计与实现 (30)
（二）系统程序的编译与仿真 (31)
结论 (35)
致谢 (36)
参考文献 (37)
附录 (38)
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f c在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2f c处放大器与滤波器的总电压增益不大
于40dB, R L=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
以控制每个滤波器的和Q。内部电容的开关速率是影响这些参数精度的主要因素，尽管这些开关—电容网络（SCN）实际上为采样系统，但它们的特性可与连续滤波器(如RC 快速滤波器）的特性相媲美。时钟频率与中心频率之比（）保持高值，以便保持理想的二阶状态变量响应。
该电路由芯片AT89C52 的P1 口来控制,由单片机的P0.0～P0.5 口及P2.2 将数据送入存储器74HC573 存起来再送入MAX262 。通过设置相应的参数,可实现带宽为1K-20KHz 的低通、高通、带通滤波。其滤波电路如图2-5所示。
图2-5 四阶滤波器
4、四阶椭圆低通滤波器设计电路
四阶椭圆低通滤波器，由运放NE5534、电感、电容等构成LC有源滤波电路。经仿真，各个参数都得到了圆满的解决，其仿真电路和防真波形如图2-6，2-10所示。
图2-6 四阶低通椭圆滤波器
图2-7 四阶低通椭圆滤波器原理图设计
电路原理：
利用集成运算放大器与RC 低通电路组成有源滤波器，可以提高通带电压放大倍数和带负载能力，我采用运放NE5534，级联RC 电路，因为NE5534集成了两块运放，输入电压经过四级RC 低通电路后，接到运放同相端，从而构成了四阶低通滤波器。从运放的输出端接一个电容到同相端，其实是引入了一个反馈，其目的是为了使输出电压在高频段迅速下降，在接近于通带截至频率0f 的范围内不致下降太多，从而有利于改善滤波特性。当0f f =时，每级RC 电路的相位移为-45?，因为0
()f arctg f ?=-，故两级的RC 电路的总相移为-90?，因此在f 接近0f 但又低于0f 的频率范围内，o U 与i U 的相位差接近-90?，o U 与i U 同相，所以电容反馈为正反馈，即反馈信号加强了输入信号的作用，使电压放大倍数增大，在接近0f 时，幅频特性不会下降的太快。当0f < 放大倍数公式如下： 10251up o u i A U mv A f U mv j f = ===+ 01 2f RC π= ，滤波器的截止频率为1kHZ 。 图2-8 信号源 图2-9 滤波器输出信号波形 图2-10 椭圆滤波器的波特图 可以从波特图中看出，当滤波器的截止频率为1K 时,衰减为3dB 左右，符合程控滤波器的设计要求。 5、幅频特性测试设计 信号源由直接数字频率合成器（DDS）构成，峰值检波采用二极管包络检波电路。信号源经被测网络后进行峰值检波，再由A/D采集数据送入 单片机处理后由D/A转换送出。测量原理如图2-11所示。 图2-11 幅频特性测试原理框图其中，信号源部分电路如下 图2-12 信号源电路 6、峰值检波电路 图2-13峰值检波原理图 图2-14 峰值检波原理图 电路原理：本电路利用二极管的单向导电性，从输入调幅波中检出 原来的低频调制信号。输入端加一运算放大器，目的是为了提高由调幅部分送来的正常调幅波的幅度，以满足大信号峰值检波的要求。它是由 信号源、运放、二极管和 R C低通滤波器串联组成，L R C电路有两个作用， L 一是作为检波器的负载，在其两端输出调制信号电压；二是起到载波滤波作用。当输入信号较大（大于0.5V）时，检波器即可工作于大信号峰值包络检波状态。在高频信号电压的正半周时，二极管正向导通并对电 容器C充电，由于二极管的正向导通电阻很小，所以充电电流 i很大，使 d 电容器上的电压 U很快就接近高频电压的峰值。这个电压建立后通过信 c 号源电路，又反向地加到二极管D的两端。这时二极管导通与否，由电 容器C上的电压 U和输入信号电压i U共同决定。当高频信号的瞬时值小 c 于 U时，二极管处于反向偏置，管子截止，电容器就会通过负载电阻R c 放电。由于放电时间常数RC远大于调频电压的周期，故放电很慢。当电容器上的电压下降不多时，调频信号第二个正半周的电压又超过二极管上的负压，使二极管又导通。在导通时间内又对电容器充电，电容器的电压又迅速接近第二个高频电压的最大值。当二极管又截止时，电容器又通过负载电阻R放电，不断地循环反复以上过程，因此只要充电很快，即充电时间常数 R·C很小（d R为二极管导通时的内阻）；而放电时间常 d 数足够慢，即放电时间常数R·C很大，满足 R·C<< RC,就可使输出电 d 压 V的幅度接近于输入电压i V的幅度,即传输系数接近1。另外，由于正c 向导电时间很短，放电时间常数又远大于高频电压周期（放电时 V的基 c 本不变），所以输出电压 V的起伏是很小的，可看成与高频调幅波包络基 c 本一致。而高频调幅波的包络又与原调制信号的形状相同，故输出电压 V c 就是原来的调制信号，最后接电位器和固定电阻，是为了增大电路的负载，而检波器总是通过大容量的耦合电容与其他电路相接。 图2-15 信号源 图2-16 检波器输入、输出波形 根据示波器的仿真示意图，可以看出输入、输出信号的波形基本一致，可以很好的回复解调信号。
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