原创 2007年电子设计大赛D题程控滤波器

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作者：张志慧，马文忠，沈杨 2007年9月 中北大学

摘要：该程控滤波器以单片机AT89S52为控制核心，通过单片机控制继电器的吸合来控制增益电阻的连接进而实现了增益的0dB到60dB每10dB步进可调；通过单片机控制二阶低通程控滤波器MAX270，完成了在-3dB时截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调的低通滤波器的设计，调节截止频率步进为1kHz，并用LCD来显示设置参数。应用Matlab计算椭圆滤波函数的传递函数，建立电路网络，设计出了四阶椭圆低通滤波器。

关键词：单片机 增益控制 低通滤波器 四阶椭圆低通滤波器

1.系统方案选择与论证

1.1 设计要求设计并制作程控滤波器，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。

1.2 系统方案

1.2.1设计思路依据题目要求，系统主要可以划分为增益控制，滤波器截止频率控制以及显示电路三大部分。为实现各模块的最优设计，分别做了几种不同设计方案的对比论证。

1.2.2 各模块方案论证和选择

（1）增益控制模块方案一：采用分立元件来实现题目的要求。此方案放大增益不容易精确控制，而且干扰严重。方案二：采用精密数字电位器和仪表放大器AD620连接通过改变数字电位器的阻值来实现增益的调节，可以精确的调节增益且精度高。方案三：采用分立电阻，通过单片机控制继电器的通断来实现运算放大器与增益电阻的连接来实现增益控制。

（2）滤波模块方案一：采用分立元件设计滤波器。对电阻，电容的精度要求高且截止频率不易调节。方案二：通过单片机对现有的集成的截止频率可调的滤波器来实现题目的要求。实现起来精度高，且易于调试。

（3）键盘控制及显示模块方案：采用按键和LCD显示来实现系统的增益，截止频率的适时调节和显示的用户界面。用户界面友好，LCD有英文和汉字显示两种，采用汉字显示易于用户的操作和控制。

 1.2.3 系统最终方案最终确定系统框图如右图1所示（1） 增益控制 由于方案二中的精密可调数字电位器直至赛终都未买到，所以采用方案三来实现增益控制。（2）滤波模块 图1系统总体框图通过单片机对MAX270(up程控滤波芯片)进行控制实现题目要求。（3）键盘控制及显示模块采用按键控制系统的增益，截止频率的调节， LCD显示来实现控制的显示。由于汉字显示LCD未买到，所以采用英文界面的LCD。显示电路见附录

 1.2.4 理论分析与计算系统主要采用精密放大器AD620和MAX270，以及单片机的控制来实现具体计算过程如下：（1）AD620增益控制实现 AD620特性：放大倍数可设置为1～1000倍，低价格、低功耗、高精度仪表放大器。它体积小，为8管脚的SOIC或DIP封装；供电电源范围为±2.3V～±l8V；最大供电电流仅为1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为5OμV，最大输入失调电压漂移为lμV/。C，最大输入偏置电流为2.0nA。G=10时，其共模抑制比大于93dB 。在1kHz处输人电压噪声为9nv／（Hz）1/2，在0.1Hz～10Hz范围内输人电压噪声的峰--峰值为0.28μV，输入电流噪声为0.1pA／（Hz）1/2 ，G=l时它的增益带宽为120kHz，建立时间为15μs。其管脚如图2：利用AD620构成增益控制基本电路（图3）增益计算： 式中G为放大倍数， 为控制增益的电阻（2）MAX270滤波器截止频率实现 MAX270主要性能：包含两个二阶低通滤波器（过度带频率响应斜率近视为-40dB/十倍频程）可分别程控，截止频率1KHz—25KHz,96dB动态范围，不需要连接外部元件，可级联，具有低功耗的关断模式。其工作原理如图4所示： 通过7位寄存器（D0—D6）发出的数据改变二阶低通滤波器的两个电容值从而改变电路的截止频率fc(Cutoff frequencies)1KHz到25KHz共分128档，计算公式为：其中码值D0-D6的二进制数据所对应的值（D6为最高位） 图中引脚的意义和功能是： /SHDN：关断控制，低电平时，OUTA，OUTB和OP OUT以及配置驱动均被关断；/WR：写控制输入，低电平是，将数据D0-D6写入由地址A0选择的程序存储器中，高电平时数据关断，/CS：片选输入，低电平有效；A0：三 图4 MAX270工作原理态地址输入逻辑高电平，选择滤波器A，逻辑低电平，选择滤波器B；D6-D7：7位数据输入。 经过分析应用AD620和MAX270完全可以实现题目的要求。（3）椭圆低通滤波器原理 N 阶椭圆低通滤波器的幅度平方函数为： 式中： 为通带截止角频率； 为波纹系数； 为N 阶雅可比椭圆函数，且： 式中： Rp为波纹(dB)； 为阻带角频率)；K1= ( ,As为阻带衰减(dB)； (K( )为第一类椭圆积分) （4）椭圆滤波器的设计传统的设计方法为：按照滤波器阶数，查归一化元件值表、确定电路网络，最后用频率标度系数去归一化得到实际元件值。这种设计方法过于繁琐，而且具有相当的难度，而利用MATLAB来设计滤波器，只需要应用题目给出的参数即可得到理想的传递函数。利用MATLAB设计传输函数及零极点，根据题目给出的滤波器的阶数N，波纹系数，通带频率及截止频率，调用MATLAB的 ellip函数求解滤波器传递函数H(z)，确定零极点，程序代码如下： [B,A] =ELLIP(N,Rp,Rs,Wp,'low'); B为H(s)分子多项式系数，A为H(s)分母多项式系数 Z="roots"(B)； 求解H(s)零点 p="roots"(A)； 求解H(s)极点求得系统函数如下：椭圆滤波器的Bode图5所示 图5 椭圆滤波器的Bode图（5）幅频特性测试仪原理及电路（见附录二）

2. 系统的硬件设计与实现

2.1 程控制放大/滤波的主要组成部分增益控制部分通过继电器的吸合来控制电阻的连接如图6，滤波器部分如图7所示 图6 增益控制电路 图7 滤波控制电路

2.2椭圆滤波器依据传递函数求得本椭圆函数低通滤波器的各参数如图8所示：图中计算出的为理论值，在实际调试中采用LM324四运算放大器芯片，由于对电容，电阻的精度较高以及线路中的寄生电容，电感的影响在实际的应用中采用可调电容和电阻对部分参数进行了实际调整后满足了题目要求。

3. 系统的设计软件图8 椭圆滤波器电路 3.1开发软件及环境简介 通过使用WAVE6OOO/L单片机仿真器进行前期仿真调试，通过后进行实际电路的连接，并进一步对各个参数进行测试。应用Matlab R2007a进行椭圆滤波器参数计算，Protel 99se设计电路。

3.2系统主要程序增益控制程序滤波截止频率控制

void inc_av()//增益自增

{av+=10;

 if(av>60) av="0"; switch(av)

{ case 10:db_init();db10=0;break;

case 20:db_init();db20=0;break;

case 30:db_init();db30=0;break;

case 40:db_init();db40=0;break;

case 50:db_init();db50=0;break;

case 60:db_init();db60=0;break;

default:db_init(); }

void max270(char n)

 {char i; cs="1";

wr=1;

for (i=0;i<2;i++);

cs=0; for (i=0;i<2;i++);

wr=0; for (i=0;i<2;i++);

P2=n; for (i=0;i<2;i++);

wr=1;

for (i=0;i<2;i++); cs="1";}

4．系统测试为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试。

 4.1 测试仪器测试使用的仪器设备如表1所示表1 测试使用仪器与设备序号仪器名称型号、规格主要技术指标数量生产厂家 1WAVE6OOO/L单片机仿真器无1南京伟福事业有限公司 2TDS1000数字存储示波器0—60M1泰克科技（中国）有限公司 3DDS函数发生器TFG2006G40mHZ—60 MHz1石家庄市无线电四厂 4数字万用表DT9205四位半1山创电子有限公司 5普通PCAMD 2.8GHz 512M1清华同方电脑公司等

4.2 指标测试

 1．增益控制测试依据据系统要求及实验室现有仪器，我们使用DDS函数发生器TFG2006G、四位半数字万用表DT9205并设计了一些测试用参数，采用多次测试取平均值的方法测试得电压增益如下：表2 测试数据及测试结果输入电压增益控制输出电压 10.5mv10dB31.5mv 10.5mv20dB103.2mv 10.5mv30dB314mv 10.5mv40dB1048.0mv 10.5mv50dB3140.0mv 10.5mv60dB10.52v 2．截止频率测试对于截止频率的测试部分我们采用由DDS函数发生器TFG2006G 改变输入滤波器的频率，通过TDS1000数字存储示波器读取输出波形的衰减程度，采用描点法绘制了本滤波器的Bode图从而确定了-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz 。对于椭圆滤波器应用了同样的方法进行测试符合题目的要求。

3． 2fc处放大器与滤波器总电压增益测试在输入电压和截止频率不变的情况下改变输入信号频率测试得输出的电压增益与原输入电压相比不大于30dB。

4.3 误差分析由于放大电路增益的提高是通过改变电阻来提高增益，滤波器截止频率通过单片机发出的数据来改变二阶低通滤波器的参数从而实现截止频率的改变。经过分析其来源主要有以下三个方面： 1．增益误差：（1）电阻的精度引起的的误差，焊接引线存在一定电阻影响，为了减少这些电阻的影响我们使用了滑动变阻器一步步对增益进行调节，且使用固态继电器控制电阻的通断，最大限度的减少了信号传输线电阻引起的误差。(2) 放大器集成运放本身存在的输入失调电压 2．截止频率误差：通过在焊接电路时对电路合理布局对MAX270单独放在一块万用板上，尽可能的减少了电路中的寄生电容和寄生电感。

3． 波形失真：出于集成运放本身存在的输入失调电压和输入失调电流的影响，及上升速率的影响，对输入信号波形不可避免的有影响，尽管这些误差是不可避免的，但是通过选取合适的走线方式、电源部分加上去耦电容、电阻以后得到的波形是可以很好的满足本题目的要求。

4.4 功能实现根据题目要求，本设计实现了所有基本功能，达到了基本指标，并且在许多方面有一定的发挥，现将题目要求与系统实际完成功能列表如下表3 题目要求与系统功能实现基本要求发挥要求实际功能实现输入正弦信号电压10mV，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通频带为100Hz～40kHz，输出电压无明显失真电压增益为60dB，信号电压振幅为10mV；增益10dB步进可调，增益误差不大于5%实现滤波器设置为低通滤波器，-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的步进为1kHz，2fc总电压增益不大于30dB, RL="1kW"。 实现增益与截止频率的误差均不大于10%增益误差不大于5%实现有设置参数显示功能无实现 制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB，-3dB通带误差不大于5%。用matlab软件进行进行了四阶椭圆型低通滤波器电路参数的计算，该计算并进行了在mulitism仿真，进行了实际电路的连接实现了题目要求。 制作一个简易幅频特性测试仪，扫频输出信号频率变化范围是100Hz～200kHz，频率步进10kHz进行了理论分析，且完成了显示模块扫频信号的产生电路（见附录）

5．总结本系统以单片机为核心部件，利用单片机的控制功能并配合软件算法实现了，对放大电路和滤波电路的控制功能，最终使本设计完成了竞赛题目中要求的各项任务。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，满足了系统设计要求。

参考文献 [1]黄智伟 全国大学生电子设计竞赛训练教程 北京 电子工业出版社 2005年

[2]孙肖子 电子设计指南 北京 高等教育出版社 2006年

 [3] 王远 模拟电子技术 北京 机械工业出版社 2001年

[4][日]谷秋隆嗣 数字滤波器与信号处理 北京 科学出版社 2003年

[5]付丽琴 桂志国 王黎明 数字信号处理原理及实现 北京 国防工业出版社 2004年

[6]毕满清 电子技术实验与课程设计 北京 机械工业出版社 2005年