程控滤波器的设计.doc
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成都理工大学工程技术学院毕业论文
程控滤波器的设计
程控滤波器的设计
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AT89S51为核心控制，主要由OP07放大器、程控滤波器MAX262等部分组成。
放大器采用OP07，实现60dB固定增益放大，步进10dB由单片机控制7279A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2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。
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。
关键词：
AT89S51；OP07；MAX262
-IV-
Abstract
Thissystemrealizesprogram-controlledfiltering,amplifiercaninstall;Lowpassorhigh-passfilterbandpass,cutofffrequencycharacteristicscanbesetup.HardwareAT89S51MCUcontrol,mainlyforthecoreOP07amplifier,program-controlledfilterbyMAX262components.ByOP07,realize60dBamplifierfixed-plusamplifier,stepping10dB7279Arealizationbysingle-chipmicrocomputercontrol,theerrorisnotmorethan5%.Lowpass,high-passfilterbysingle-chipmicrocomputercontrolprogrammablefilterMAX262realize,in2fcchipinthetotalvoltageamplifierandfilter30dBgainnogreaterthan.Thissystemissimpleindesign,canwellrealizefilterSPC,useconvenient,withhighperformance-to-priceratio,practicabilityandusevalue.
Keywords：
AT89S51，OP07，MAX262
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
前言 1
1绪论 2
1.1滤波器的发展阶段 2
1.2课题研究的背景 2
1.3设计的内容与结构 3
2方案设计与选择 4
2.1设计要求 4
2.2方案选择 4
2.2.1放大器的选择 4
2.2.2滤波器的选择 5
2.2.3单片机的选择 5
2.2.4输入模块选择 6
2.3MAX262工作原理 6
2.3.1MAX262的结构 6
2.3.2MAX262的特性及编程参数 7
2.3.3MAX262的工作原理 9
2.4滤波器的原理与及其结构 10
2.4.1滤波器的概念 10
2.4.2滤波器的结构及分类 11
2.4.3滤波器的应用场合 13
3系统硬件电路设计 14
3.1MAX262程控滤波器的设计 14
3.2AT89S51单片机介绍 15
3.3放大器的设计 18
3.3.1OP07简介 19
3.4显示部分设计 20
3.5MAX262滤波器部分的设计 21
3.5.174LS373芯片简介 21
4系统软件设计 23
4.1主程序流程图 23
4.2编程参数的确定 23
4.3程序流程分析 24
5设计验证及测试方法 25
5.1程序可行性验证 25
5.2各单元测试方法 25
总结 27
致谢 28
参考文献 29
附件1程控滤波器原理图 30
附件2程序清单 32
前言
滤波器是数据采集、信号处理和通信系统等领域必不可少的重要环节，如A\D转换前的“限带抗混叠滤波”和D\A转换后的“平滑滤波”。
在信号频率动态范围较宽的场合，设计固定截止频率的滤波技术已经很成熟，但在许多工程领域，信号频率的动态范围很宽，其信号频率在几赫兹到几千赫兹之间。
因此，就有必要采用多种截止频率的滤波器，采用程控滤波法对频率动态范围较宽的信号进行滤波。
在低频时码信号源中，实现多种频点滤波功能的方法通常有两种方法：
第一种方法采用运算放大器、电阻、电容等分立原件组成有源滤波器来实现频率选择，该方法为了实现智能选择，必须采用模拟开关控制，同时电路使用的原件较多，故会导致参数调整相当困难；第二种是采用多级选频电路串联方式，但该方法由于器件参数离散型的影响，要求所有选频回路在中心频率上偏差很小，这将使改变多级中心频率的滤波器变得十分困难。
使用可编程滤波器芯片MAX262可以通过编程多种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，且滤波的特性参数（如中心频率、品质因数等），可通过编程进行设置，电路的外围器件也很少，同时用单片机对MAX262进行过程控制，还可以同时对两路输入信号进行二阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理。
这使得滤波器的中心频率可以在15Hz—50kHz范围内实现64级程控调节，其Q值可在0.5—64范围内实现128级程控调节。
-29-
1绪论
1.1滤波器的发展阶段
电容滤波器是由电路元件相互连接构成的一种选频网络。
从1915年Wagner和Campbell分别首次提出滤波器的概念以来，滤波器经历了无源分立RLC元件、集成线性元件/混合集成电路和单片全集成电路的发展历程，取得了长足的进步。
随着滤波器理论的发展，特别是1977年美国加州大学Berkeley分校的学者组成的研究小组集成了第一片单片MOS开关电容滤波器，开关电容滤波器成为了滤波器理论中十分活跃的分支，受到了电路理论工作者和集成电路设计者的广泛关注。
开关电容滤波器（SCF）电路其核心部分由模拟开关、电容器和运算放大器组成，其传输函数系统特性取决于电容容量比的准确性，易于用MOS工艺实现。
因此，70年代末，MOS工艺发展迅速，MOS器件在速度、集成度、相对精度控制和微功率等方面都有独特的优势，为开关电容滤波器电路的迅速发展提供了很好的条件。
国际上，70年代末至80年代中是SCF大发展时期，完成了从原理、结构探讨至工业化过程，并被广泛应用于通讯等领域。
国内在70年代有我国自主知识产权的电子产品。
目前，开关电容滤波器正向着集成度更高，功耗更低以及精度更好的方向发展，出现了很多的新方法来设计低电压、低功耗、低电容比和运放增益灵敏度的SC滤波器。
而随着开关电容滤波器设计技术的日加成熟，开关电容滤波器的应用也更加广泛.从无限通讯到视频应用，再到集成电路设计，开关电容滤波器都越来越多的发挥着重要的作用。
1.2课题研究的背景
随着滤波系统在各类电子装置中的普遍使用，普通的滤波器在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。
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。
只有满足产品标准，才能够进入市场。
随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。
传统滤波器功能单一，调节精度不高，人机界面不友好，而且经常跳变，使用麻烦。
随着集成电路技术的发展，目前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，此外还存在信号混叠问题。
程控滤波系统是目前滤波器的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸
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。
1.3设计的内容与结构
本文分为四个章节，各章节安排如下：
第1章：
绪论。
主要介绍了滤波器的发展状况，以及和课题研究的背景。
第2章：
方案选择论证。
主要介绍了本论文的方案设计与选择，（包括放大器的选择、滤波器的选择、单片机的选择及输入模块的选择）MAX262的工作原理及其结构特性及滤波器的原理结构。
第3章：
系统硬件电路设计。
主要介绍了总体设计框图（包括程控滤波器的设计、显示电路设计、OP07芯片的简述、74LS373芯片的概述的的等）。
并详细介绍了最终确定的各单元设计方案以及最终方案的设计原理。
第4章软件设计主要介绍了主程序流程框图、编程参数的确定、程序流程分析。
第5章设计验证，主要说明了程序可行性的验证及各单元测试方法。
2方案设计与选择
2.1设计要求
（1）放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，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。
（2）滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1kW。
（3）滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1kW。
（4）电压增益与截止频率的误差均不大于10%。
（5）有设置参数显示功能。
2.2方案选择
2.2.1放大器的选择
方案一∶
uA741通用高增益运算放大器,早些年最常用的运放之一。
但uA741通用放大器,性能不是很好。
早期运放，在音频运放的选择上，有较好的优势。
其中uA741是内部有相位补偿电路的先驱产品。
uA741在早期的音响中使用，它的AC特性和噪声特性较好，但是uA741的输入级为双极晶体管，所以偏流大功耗大。
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