全国电子竞赛D题程控滤波器.docx
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全国电子竞赛D题程控滤波器
电子竞赛D题程控滤波器
文章来源：
山东竞赛组委会
本系统以凌阳16位单片机为控制核心，运用开关电容技术实现程控滤波功能。
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，运用开关电容技术实现程控滤波功能。
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。
滤波器采用模仿开关和电容组合代替电阻技术，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。
运用单片机和直接数字调制技术（DirectDigitalsynthesizer）芯片AD9850，设计并制作了简易幅频特性测试仪，扫频输出信号范畴从100Hz到200KHz，步进10KHz可调。
人机接口采用4×4键盘及LCD液晶显示屏，控制界面直观、简洁，具备良好人机交互性能。
核心词：
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
通过仔细研究分析，咱们以为系统构造框图1.1如下所示：
依照题目规定，咱们分如下三某些进行方案设计与论证
1．1主控单元
方案一：
采用80C51系列单片机，但其与外围设备接口电路较为复杂。
方案二：
采用凌阳SPCE061A单片机。
它中断资源丰富，并且内置了在线仿真、编程接口，可以便地实当前线调试。
通过比较后采用方案二。
1．2放大器某些
程控放大器增益，普通有两种途径，一种是变化反相端输入电阻，另一种是变化负反馈电阻阻值。
方案一：
采用模仿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仿开关通断，从而变化放大器增益。
此方案长处在于简朴，缺陷是电阻网络匹配难以实现，调试很困难。
方案二：
用DAC电阻网络，变化电阻办法，电流输出型DAC内含R-2R电阻网络，可以作为运放反馈电阻或输入电阻，在DAC输入数据控制下，实现放大器增益程控变化。
该方案长处无需外接精密电阻，增益完全由输入数字量决定，就可以对信号进行放大或衰减，使用以便；缺陷是信噪比较低，通频带较窄。
方案三：
非易失性数字电位器变化电阻，克服了模仿电位器重要缺陷，无噪声，寿命长，阻值可程控变化，设定阻值掉电记忆。
该方案长处是增益范畴宽，占用μP口少，成本低。
通频带取决于运放通频带。
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，因此咱们选用高精度测量放大器AD620。
咱们采用方案三，非易失性数字电位器与测量放大器组合，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滤波器某些
依照题目规定低通滤波器在2fc处，高通滤波器在0.5fc处，放大器与滤波器总电压增益不不不大于30dB，咱们选用二阶电压控制滤波器。
图1.2
二阶电压控制滤波器变化截止频率有如下方案
方案一：
采用模仿开关或继电器作为开关，切换不同RC组合来变化截止频率，长处是电路简朴，缺陷是电阻网络匹配难以实现，调试很困难适合截止频率调节档位较少滤波器。
方案二：
固定电容C，采用非易失性数字电位器变化电阻数值，从而变化截止频率。
长处是电路简朴，缺陷数字电位器是分档调节，不能实现电阻持续可调，很难实现截止频率精准调节。
方案三：
运用开关电容技术，运用开关和电容组合来代替电阻，电容值保持不变，咱们只要控制开关频率，就可以等效变化电阻，完毕对滤波器截止频率设立。
对于详细分析办法在背面有详细论述。
咱们选取方案三，当前较先进技术，并且已有了成熟产品，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，对于毫伏级信号放大普通要采用品有高共模抑制比、高精度、高输入阻抗测量放大器。
放大器电路采用AD620和数字电位器构成。
数字电位器使用是X9241MAPI，它把0-2K,0-10K,0-10K,0-50K四个可调电阻集成在一种单片CMOS微电路中数控电位器，步进分别为34Ω，170Ω，170Ω，850Ω，通过组合步进更小，因此放大倍数也被控制在一种很精准范畴。
（2）滤波器方案论证
咱们采用是RC构造二阶滤波电路。
低通滤波时：
依照二阶低通滤波函数，在不不大于截止频率fc时，幅频特性曲线以40/10f速度下降，因此在2fc处增益为-12.04dB。
再加上放大器40dB增益，总增益为27.96dB，达到了题目不大于30dB规定。
高通滤波时：
依照二阶高通滤波函数，在不大于截止频率fc时，幅频特性曲线以40/10f速度上升，因此在0.5fc处增益为-12.04dB。
再加上放大器40dB增益，总增益为27.96dB，也达到了题目不大于30dB规定。
在电阻选用上，咱们采用了开关电容取代电阻方案。
基本开关电容单元原理图，如下：
开关S1，S2采用通段受方波信号控制模仿开关，当¢为高电平时开关S1闭合，当¢为低电平时S1开通。
S2开通关断状况与S1相反。
在时钟周期Tc内，从1端向2端传播电荷量为：
。
而电流为：
可见基本开关电容单元可以等效为一种电阻。
并且方波信号频率与信号频率比值越大，这种近似性越好。
2.系统硬件设计
2.1系统总体设计
图2.1程控滤波器构造框图
本系统以凌阳61单片机作为主控单元，将设计任务分为放大器，低通滤波器，高通滤波器，椭圆滤波器，人机接口单元等功能模块。
放大器用AD620和数字电位器构成放大电路两级串联构成。
单片机通过控制数字电位器阻值大小来控制放大器放大倍数。
滤波器在单片机控制信号作用下在低通，高通，椭圆三种工作方式切换。
低通和高通滤波电路采用模仿开关，电容和运算放大器构成，单片机通过控制模仿开关通断频率，来实现截止频率调节。
本系统还设计了良好人际交互接口，实现了键盘解决，液晶显示，语音报数等功能。
2.2单元电路设计
2.2. 1放大器电路设计
由于运算放大器在高频时，其带宽下降，放大倍数减小，因而咱们采用两级放大，详细电路图如图2.2：
2.2.2滤波器电路设计
现以低通滤波电路设计为例阐明。
对于二阶低通滤波电路，
图2.3
传递函数为：
其中，,
为了在截止频率附近有较平坦幅频特性曲线，令Q=0.707,可求出,又由于,因而。
由对偶原理可知，二阶高通电路中。
用开关电容原理等效后电路图为：
图2.4
由前面分析可知
又由开关电容原理，
因此
因而，在与比值固定期，开关频与截止频率成正比，因而可用开关频率控制截止频率大小。
依照题目规定，截止频率步进为
由于，
因此，
当截止频率时，开关频率；
当截止频率时，开关频率；
同理，二阶高通滤波器电路进行开关电容等效后，开关频率可以控制截止频率大小。
开关频率大小所相应截止频率与低通时同样，以便了系统设计和程序编写。
2.3发挥某些设计与实现
（1）实现了放大器电压增益为60dB，输入信号电压振幅为10mV；增益10dB步进可调，电压增益误差不不不大于2%。
（2）制作了一种四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，规定放大器与低通滤波器在200kHz处总电压增益不大于5dB，-3dB通带误差不不不大于5%。
四阶椭圆型低通滤波器由椭圆函数压控电压源（VCVS）低通滤波节实现，借助MATLAB设计低通椭圆滤波器。
1．椭圆函数VCVS滤波节
2．⑴依照设计规定，带内起伏1,-3通带为50，运用MATLAB函数,求出滤波器通带带宽。
⑵调用MATLABellip函数求出传递函数零极点值（见附录）。
[B,A]＝ellip（N，，，,’S’）;%B为分子多项式系数，A为分母多项式系数
z=roots（B）；％求解零点
p=roots（A）%求解极点
⑶每个低通滤波节包括一对共轭复数极点和一对虚数零点（复数极点实部为x，虚部为，零点在处）。
四阶椭圆低通滤波器由两个滤波节级联构成，零极点按就近原则分派到两个滤波节
⑷运用MATLAB编写程序，按照下列公式计算各节阻容参数。
定义系数：
，，（，，取正值）
选用惯用标称电容值C，令，有：
，，，，，
附：
各滤波节阻容值
A:
计算值计算值
2180.01
2180.018uF
1095000pF
50395000pF
无限制
5100
20910
B:
计算值C计算值
2813.5330p
2813.59.173nF
1406.80.165nF
568270.165nF
无限制
5100
247093
（3）制作了一种简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号频率变化范畴是100Hz～200kHz，频率步进10kHz。
幅频特性测试仪构造框图
简易幅频特性测试仪是以Spce61单片机位控制核心，由正弦波发生器，数据采集、解决、显示等功能模块构成。
其中，扫频信号采用DDS技术实现。
系统输出电压峰值保持不变得正弦波扫频信号，由单片机变化扫频信号频率从100Hz到200kHz，以10kHz步进，从然后测出相应输出信号峰值。
经峰值检测将交流信号峰值转化为直流信号。
被单片机经A/D转化后读取。
单片机将输入信号频率大小和输出峰值存储在RAM中。
从最小频率扫描到最大频率后，依照采集数据计算出幅频特性曲线显示在液晶屏上。
扫频信号由DDS芯片AD9850产生。
幅频特性测试仪频率稳定度取决于外接晶振稳定度。
选用50MHz晶振，可以实现0.01Hz-12.5MHz持续扫频，而题目规定是100Hz-200KHz，因此它足以满足规定。
DDS技术是开环控制，频率调节速度仅受限于逻辑门延迟，速度高于PLL频率合成技术几种数量级。
因此DDS合成速度快，频率辨别率高，并且线路简朴。
由于采样点只有21个，对AD转化速度规定不高。
咱们选用TLC2543，它是12位辨别率A/D转化器，在温度范畴内10μs转换时间，线性误差±1LSBMax，足以满足规定。
3系统测试
由于篇幅所限在此仅列出几种核心点测试成果
测试条件：
Uipp=10mv,测试仪器：
信号源采用F40,示波器
放大器性能测试
Uo（40DB）
Uo（50DB）
Uo（60DB）
输入信号频率
理论值
实测值
误差
理论值
实测值
误差
理论值
实测值
误差
100Hz
1V
0.99V
0.01V
3.16V
3.12V
0.04V
10V
9.89
0.11V
1KHz
1V
1.00V
0.00V
3.16V
3.14V
0.02V
10V
9.90
0.10V
20KHz
1V
0.99V
0.01V
3.16V
3.12V
0.04V
10V
9.88
0.12V
40KHz
1V
0.99V
0.01V
3.16V
3.11V
0.05V
10V
9.85
0.15V
45KHz
1V
0.97V
0.03V
3.16V
3.10V
0.06V
10V
9.84
0.16V
通过对测试数据分析得出结论：
放大器某些电压增益60dB，增益10DB步进可调，通频带超过了40KHz，电压增益误差在2%以内，放大器某些不但完毕了题目基本规定，并且完毕了发挥某些规定。
低通滤波器性能测试
测试条件：
Uipp=10mv,测试仪器：
信号源采用F40,示波器放大器增益40DB
设定截止频率
fc
滤波器输出电压
0.707Aup时实测截止频率
误差
输入信号频率f=1kHz
输入信号频率
f=0.5fc
输入信号频率f=fc–1kHz
输入信号频率f=fc
输入信号频率f=2fc
10KHz
0.99v
1.00v
0.710v
0.708v
0.200v
10.5KHz
5%
20KHz
0.98v
0.99v
0.713v
0.710v
0.205v
21.2KHz
6%
通过对测试数据分析得出结论：
低通滤波器截止频率1kHz步进可调，通带性能良好，截止频率误差为6%，完毕了题目规定。
高通滤波器性能测试
测试条件：
Uipp=10mv,测试仪器：
信号源采用F40,示波器放大器增益40DB
设定截止频率
fc
滤波器输出电压
0.707Aup时实测截止频率
误差
输入信号频率f=1kHz
输入信号频率
f=0.5fc
输入信号频率f=fc–1kHz
输入信号频率f=fc
输入信号频率f=2fc
10KHz
0.02v
0.23v
0.698v
0.712v
0.989v
10.4KHz
4%
20KHz
0.03v
0.24v
0.699v
0.713v
0.985v
21KHz
5%
通过对测试数据分析得出结论：
高通滤波器截止频率1kHz步进可调，通带性能良好，截止频率误差为%，完毕了题目规定。
椭圆低通滤波器性能测试
用幅频特性测试仪测试，幅频特性与四阶低通椭圆滤波器理论幅频特性形状基本相似。
-3dB处通带为48kHz，误差为4%，不大于题目规定，输入信号频率200kHz处电压增益为2dB，通过对测试数据分析得出结论：
完毕了发挥某些四阶低通椭圆滤波器题目规定。
3.4测试成果及其分析
通过测试分析，本设计达到了题目基本规定和发挥某些规定，在某些方面甚至超过了题目规定。
4.结论
本系统实现了题目规定，体现了程控思想，技术较先进。
附录：
（3）制作了一种简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号频率变化范畴是100Hz～200kHz，频率步进10kHz。
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