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包含作品的设计论文doc文档,可直接修改,适合于电赛备赛、课程设计、毕设参考等。 2007年D题 程控滤波器 本系统以凌阳16位单片机为控制核心,利用开关电容技术实现程控滤波的功能。前端放大器由运放和数字电位器构成,实现了增益0—60dB,步进10dB可调。 摘要:本系统以凌阳16位单片机为控制核心,利用开关电容技术实现程控滤波的功能。前端放大器由运放和数字电位器构成,实现了增益0—60dB,步进10dB可调。滤波器采用模拟开关和电容的组合替代电阻的技术,构成RC有源滤波网络,实现了程控高通、低通滤波截止频率1KHz—20KHz,步进1KHz可调。设计实现了四阶低通椭圆滤波器。利用单片机和直接数字调制技术(Direct Digital synthesizer)芯片AD9850,设计并制作了简易幅频特性测试仪,扫频输出信号范围从100Hz到200KHz,步进10 KHz可调。人机接口采用4×4键盘及LCD液晶显示器,控制界面直观、简洁,具有良好的人机交互性能。 关键词:程控滤波 凌阳16位单片机 数字电位器 开关电容
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2007 年 D 题 程控滤波器
本系统以凌阳 16 位单片机为控制核心,利用开关电容技术实现程控滤波的
功能。前端放大器由运放和数字电位器构成,实现了增益 0—60dB,步进 10dB
可调。
程控滤波器
摘要:本系统以凌阳 16 位单片机为控制核心,利用开关电容技术实现程控滤波
的功能。前端放大器由运放和数字电位器构成,实现了增益 0—60dB,步进 10dB
可调。滤波器采用模拟开关和电容的组合替代电阻的技术,构成 RC 有源滤波网
络,实现了程控高通、低通滤波截止频率 1KHz—20KHz,步进 1KHz 可调。设
计实现了四阶低通椭圆滤波器。利用单片机和直接数字调制技术(Direct Digital
synthesizer)芯片 AD9850,设计并制作了简易幅频特性测试仪,扫频输出信号
范围从 100Hz 到 200KHz,步进 10 KHz 可调。人机接口采用 4×4 键盘及 LCD 液
晶显示器,控制界面直观、简洁,具有良好的人机交互性能。
关键词:程控滤波 凌阳 16 位单片机 数字电位器 开关电容
1. 方案论证
经过仔细研究分析,我们认为系统的结构框图 1.1 如下所示:
根据题目要求,我们分以下三部分进行方案设计与论证
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1.1 主控单元
方案一:采用 80C51 系列单片机,但其与外围设备的接口电路较为复杂。
方案二:采用凌阳 SPCE061A 单片机。它中断资源丰富,而且内置了在线
仿真、编程接口,可方便地实现在线调试。
经过比较后采用方案二。
1.2 放大器部分
程控放大器的增益,一般有两种途径,一种是改变反相端的输入电阻,另一
种是改变负反馈电阻阻值。
方案一:采用模拟开关或继电器作为开关,构成梯形电阻网络,单片机控制
继电器或模拟开关的通断,从而改变放大器的增益。此方案的优点在于简单,缺
点是电阻网络的匹配难以实现,调试很困难。
方案二:用 DAC 的电阻网络,改变电阻的方法,电流输出型 DAC 内含 R-2R
电阻网络,可以作为运放的反馈电阻或输入电阻,在 DAC 输入数据的控制下,实
现放大器增益的程控改变。该方案的优点无需外接精密电阻,增益完全由输入的
数字量决定,就可以对信号进行放大或衰减,使用方便;缺点是信噪比较低,通
频带较窄。
方案三:非易失性数字电位器改变电阻,克服了模拟电位器的主要缺点,无
噪声,寿命长,阻值可程控改变,设定阻值掉电记忆。该方案优点是增益范围宽,
占用μP 口少,成本低。通频带取决于运放的通频带。
在本题中,电压增益为 40dB,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。由于输入信号幅值很小,所以我们选用高精度的测
量放大器 AD620。
我们采用方案三,非易失性数字电位器与测量放大器的组合,实现程控放大
器。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。
1.2 滤波器部分
根据题目要求低通滤波器在 2fc 处,高通滤波器在 0.5fc 处,放大器与滤波
器的总电压增益不大于 30dB,我们选用二阶电压控制滤波器。
图 1.2
二阶电压控制滤波器改变截止频率有以下方案
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/89324272/bg3.jpg)
方案一:采用模拟开关或继电器作为开关,切换不同的 RC 组合来改变截止
频率,优点是电路简单,缺点是电阻网络的匹配难以实现,调试很困难适合截止
频率调节档位较少的滤波器。
方案二:固定电容 C,采用非易失性数字电位器改变电阻的数值,从而改变
截止频率。优点是电路简单, 缺点数字电位器是分档调节,不能实现电阻的连
续可调,很难实现截止频率的精确调节。
方案三:利用开关电容技术,利用开关和电容的组合来替代电阻,电容值保
持不变,我们只要控制开关的频率,就可以等效的改变电阻,完成对滤波器截止
频率的设置。对于具体分析方法在后面有详细叙述。
我们选择方案三,当前较先进的技术,并且已经有了成熟的产品,例如
max260 可编程滤波器
1.2 方案论证
(1)放大器方案论证
放大器输入正弦信号电压振幅为 10mV,对于毫伏级的信号放大一般要采用
具有高共模抑制比、高精度、高输入阻抗的测量放大器。放大器电路采用 AD620
和数字电位器组成。数字电位器使用的是 X9241MAPI,它把
0-2K,0-10K,0-10K,0-50K 四个可调电阻集成在一个单片的 CMOS 微电路中的数
控电位器,步进分别为 34Ω,170Ω,170Ω,850Ω,经过组合步进更小,所以
放大倍数也被控制在一个很精确的范围。
(2)滤波器方案论证
我们采用的是 RC 结构的二阶滤波电路。低通滤波时:根据二阶的低通滤波
函数,在大于截止频率 f
c
时,幅频特性曲线以 40/10f 速度下降,所以在 2 f
c
处
的增益为-12.04dB。再加上放大器的 40dB 增益,总增益为 27.96dB,达到了题
目小于 30 dB 的要求。高通滤波时:根据二阶的高通滤波函数,在小于截止频率
f
c
时,幅频特性曲线以 40/10f 速度上升,所以在 0.5 f
c
处的增益为-12.04dB。
再加上放大器的 40 dB 增益,总增益为 27.96dB,也达到了题目小于 30 dB 的要
求。
在电阻的选取上,我们采取了开关电容取代电阻的方案。基本开关电容单元
的原理图,如下:
开关 S1,S2 采用通段受方波信号控制的模拟开关,当¢为高电平时开关 S1
闭合,当¢为低电平时 S1 开通。S2 的开通关断情况与 S1 相反。在时钟周期 Tc
内,从 1 端向 2 端传输的电荷量为:
。
而电流为:
可见基本开关电容单元可以等效为一个电阻
。而且方波信号的频率与信号频
率的比值越大,这种近似性越好。
2.系统硬件设计
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