数字低通滤波器.docx
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数字低通滤波器
指导教师评定成绩：
审定成绩：
重庆邮电大学
自动化学院
综合课程设计报告
数字低通滤波器的设计
单位（二级学院）：
自动化
学生姓名：
王大陆
专业：
自动化
班级：
0810806
学号：
08250108
指导教师：
岑明
设计时间：
2011年10月
重庆邮电大学自动化学院制
摘要
本系统以AT89C51单片机为核心器件制作的一款低通数字滤波器。
第一部分我们采
用MATLAB设计低通滤波器模型并进行初步仿真得到较为理想的效果。
第二部分制作实物过程中分为三步，第一步用Proteus仿真便于程序的前期编写；第二部用Protel画出电路图，首先利用ADC0809将模拟信号转换成数字信号输入单片机，模拟信号由两个AD9850模块产生，其一是一般正常的低频正弦波；其二是频率较高幅值较小的模拟噪声信号，两个信号通过加法器输出给ADC0809采集。
然后通过预先编好的程序将采集的数据进行算法滤波，滤波后的数据通过DAC0832输出，由于DAC0832是电流型输出，我们将DA0832的输出信号通过一级运放（UA741）转换成电压输出，由于运放需要正负电源我们采用自制的稳压电源产生正负12v的电源给运放UA741供电。
第三步用Protel画出PCB第三部分我们先后调试ADC0809DAC0832运算放大部、上位机控制截止频率等，通过我们的长时间调试成功用示波器显示通过滤波后的波形。
总体而言，该系统具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点。
关键字：
AT89C51、DDS、ADC0809、DAC0832、UA741
、设计题目题目与要求低通滤波器是允许低频讯号通过，而不允许高频讯号通过的滤波器。
本题目要求用单片机（型号任选）制作一个低通数字滤波器，要求：
1.根据确定的采样频率，用MATLAB设计低通滤波器模型以满足不同截止频率需求，并进行仿真；
2.用单片机设计并制作一个低通数字滤波器，实现数据采集、滤波处理、信号输出等功能（包括软、硬件）；
3.滤波器能与PC机通信，实现截止频率参数的调节、原始信号采样数据与滤波后数据的上传；
4.利用高级语言开发工具，设计PC机端的程序，可以调节滤波器参数，接收滤波器上传的原始信号采样数据与滤波后数据，并能绘图；
5.设计几种不同频率、类型的噪声，利用滤波器进行试验，记录实验情况并进行分析、总结；
第一章MATLAB仿真错误!
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方案论证错误!
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设计方法及原理介绍错误!
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matlab编程实现错误!
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Simulink仿真结构图错误!
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Simulink仿真结果错误!
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第二章硬件设计方案错误!
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硬件功能整体设计错误!
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单片机最小系统错误!
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ADC0809和74HC74错误!
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DAC0832和UA741错误!
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串口部分错误!
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DDS部分错误!
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第三章软件设计错误!
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单片机软件设计错误!
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PC机通信软件设计错误!
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第四章实验结果错误!
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仿真滤波分析结果：
错误!
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实物滤波分析结果：
错误!
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第五章心得体会错误!
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参考文献错误!
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附件1:
MATLAB源程序错误!
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附件2：
主要单片机程序错误!
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附录3：
器件清单
错误!
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附录5：
protues原理图错误!
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附录6：
protel电路图错误!
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附录7：
PCB图错误!
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附录8：
DDS原理图错误!
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附录4：
任务分工
错误!
未定义书签。
附录9：
实物图
错误!
未定义书签。
第一章MATLAB仿真
数字滤波器，按功能分类，可以分成低通、高通、带通、带阻、全通滤波器；按实现的网络结构或单位抽样响应分类：
可以分成无限脉冲响应滤波器（IIR滤波器）、有限脉冲响应滤波器（FIR滤波器）。
FIR滤波器可以对给定的频率特性直接进行设计，而IIR滤波器目前最
通用的方法是利用模拟滤波器的设计方法进行设计。
模拟滤波器设计已经有了相当成熟的技术和方法，有完整的设计公式，还有比较完整的图表可以查询，因此我们采用IIR滤波器的设计方法进行本次滤波器的设计。
IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。
在参考相关数字滤波器设计的资料后，我们决定采用巴特沃斯滤波器设计方法进行本次数字低通滤波器的设计。
设计方法及原理介绍
s:
阻带下限截止频率
在此介绍一下低通滤波器的技术要求：
P:
通带截止频率（又称通带上限频率）
p:
通带允许的最大衰减s:
阻带允许的最小衰减（p，s的单位dB）
p:
通带上限角频率s:
阻带下限角频率
结合相关资料，总结IIR巴特沃斯数字低通滤波器的设计步骤如下：
（1）.按一定规则将给出的数字滤波器的技术指标转换成模拟低通滤波器的技术指标。
（2）在这里就是上面p、s、p、s、p、s
1
1C.2）n，其中C为待定常数，N为待定的滤波器阶次。
总结后,
巴特沃思滤波器的设计步骤分为以下三步：
（1）将实际频率规一化；
（2）求C和N；3）确定G（s）
每步具体内容在此不做赘述。
（3）.再按一定的规则将G（s）转换成H（z）
matlab编程实现
源程序见附件一，在此介绍几个主要命令的使用方法。
（1）.[N,wc]=buttord（wp，ws，apas）
用于计算巴特沃斯数字滤波器的阶数N和3dB截止频率wc。
调用参数wp，ws分别为数
字滤波器的通带、阻带截止频率的归一化值，要求：
OWwp<，0（2）.[zO,p0，kO]=buttap（N）
用于计算N阶巴特沃斯归一化（3dB截止频率Qc=1模拟低通原型滤波器系统函数的零、极点和增益因子。
（3）.[b,a]=zp2tf（z,p,k）
零极点形式的传递函数的转换。
（4）.[bt,at]=lp2lp（b,a,Wo）
低通滤波器截止频率变换。
（5）.[H,F]=freqz（B,A,N,Fs）
计算数字滤波器的频率响应的函数
我们在此设定相关参数，通带上限截止频率fp=100;阻带下限截止频率fs=300;通带最大衰减即=3;阻带最小衰减as=20;抽样频率Fs=1000
运行程序得到图。
通过图形，我们可以看出滤波器的低频增益基本是常数1,高频衰减
较快，通带上限截止频率、阻带下限截止频率等关键指标均满足设计要求。
图
Simulink仿真结构图
经过分析，Simulink仿真中应包含如下几个模块：
1•信号发生模块。
采用两个离散的正弦信号发生器，一个用于产生能通过滤波器的理想信号，一个用于产生被滤波器滤除的噪声信号。
2•信号叠加模块。
采用一个简单的加法器就能将噪声信号叠加到理想信号上去。
3.数字低通滤波器模块。
我们采用simulink中自带的digitalfilterdesign，它能够很方便地进行数字滤波器的设计，模拟数字低通滤波器的滤波功能。
4.信号观测模块。
采用示波器模块观察滤波前后波形的变化，从而得出是否有滤波效果。
Simulink仿真结构图如图：
—Ma^ntudBResponseI'dfcJ）.
图
其中digitalfilterdesign这个模块的参数设置如图示:
—Qjrreni:
"itc*hforn*d：
［cri'
DTect-Forrn|it|
S>nrmdOrjf：
r
Sicticns
£
3
畑
图
digitalfilterdesign模块的参数设置说明：
responsetype中分为lowpass低通、highpass高通、bandpass带通、bandstop带阻，我们选定lowpass；designmethod中分为iir、fir，我们选定iir，并在iir中选择butterworth；Fs为采样频率，我们输入1000Hz；Fc为滤波器的截止频率，我们输入100Hz。
Simulink仿真结果
a）当噪声信号频率较高时，滤波成功
自定义噪声信号sin函数，振幅为1,频率为250hz，采样频率lOOOhz,如图所示
图
理想输入信号+噪声信号，如图所示
图
经过滤波后结果如图所示
图
b）当噪声信号频率较低时，滤波不成功
理想输入信号sin函数，振幅为5,频率为5hz,采样频率1000hz,如图所示
图
自定义噪声信号sin函数，振幅为1,频率为150hz，采样频率1000hz，如图所示
图
理想输入信号+噪声信号所得结果如图所示
图
经过滤波后的结果如图所示
图
仿真结论：
当噪声信号频率较高，高于所设计滤波器的截止频率时，滤波器能够较完全地将噪声信号滤除，经滤波器输出的信号与理想信号相差不大；当噪声信号频率较低，低于所设计滤波器的截止频率时，滤波器不能地将噪声信号滤除，经滤波器输出的信号还有大量噪声信号。
第二章硬件设计方案
硬件功能整体设计
1）CPU选择
案；1:
飞思卡尔单片机是16位的单片机，处理速度较快实际应用较广，I/O口资源丰富
目前使用较广。
可以处理相对较高的频率。
万案2：
STC89C52是一款性能相对较低I/O口并不是很多，但是相对较为便宜，性价比相
当高，结合我们的实际要求，我们选择了方案2。
2）信号产生方案选择
案；1:
采用上位机软件产生的波形加噪声得到的待滤信号，通过串口的方式发送到单片机采集，实际上有很大的困难，因此我们放弃了该方案。
万案2:
采用DDS模块1产生一个低频并且幅值较大的正弦波，模块2产生一个高频且幅
值较小的模拟噪声正弦波，两个波形通过自制的加法器得到待滤的信号传送给单片机采集处理。
结合熟悉程度的实际条件我们采用方案2.
3）AD和DA转换方案选择
案；1:
原本我们有两款高频的AD转换器，型号为AD9761，但是由于这两款转换器的程
序和时序复杂程度相当大，我们放弃了该方案。
万案2
常用并且熟练的转换器中，我们还知道AD0809，本身题目要求的截止频率不高，
又加上这两款程序相对较为简单，价格合适，性价比相对方案1来说要高很多，因此
我们选择方案2作为我们的实际方案。
结合题目要求在采集数据方案中我们由于要改变采样的截止频率我们采用的是定时传送方式。
4）波形显示方案选择
方案1
根据题目要求，我们需要将经过滤波的信号通过串口的方式传送给上位机存储显示，这
样可以将滤波后不得波形理想的显示出来。
但实际操作起来较为困难。
万案2
波形显示过程中，将滤波后的信号通过AD0832转换为模拟信号输出，但由于AD0832是-款电流型输出转换器，因此经过一级运放（UA741）将电流型输出转换为电压输出，输出信
号通过示波器显示出来，结合实践操作性我们选择了方案2。
根据以上的方案选择我们的设计思路基本成熟，通过讨论得到以下的思路方框图:
图硬件功能框图
整体思路描述：
首先给定的信
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