程控.docx
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程控
目录
摘要3
1.系统设计4
1.1系统框图4
1.2方案比较与论证4
1.2.1程控滤波器方案论证与比较4
1.2.2放大器方案论证与比较5
2.单元电路设计5
2.1放大电路模块5
2.1.1工作原理5
2.1.2参数计算及选择5
2.2二阶低通滤波模块6
2.2.1工作原理6
2.2.2参数选择及计算6
2.3二阶高通滤波器7
2.3.1工作原理7
2.3.2参数选择及计算8
3.1软件功能及算法9
3.2软件流程图9
4.系统测试9
5.参考文献10
6.附录10
附录
（一）原理图10
附录（三）原器件明细表11
摘要
本设计以单片机PIC16F877A为核心，由放大电路、滤波电路、显示模块和按键模块组成。
系统通过单片机控制继电器的工作状态，从而实现对放大倍数的调整和高低滤波电路的切换。
同时，单片机还通过对数字电位器X9312输入的控制，达到对电位器输出阻值的控制，进而使截止频率按1KHz步进的变化。
本系统还具有参数设置和显示功能，可通过按键设置输入信号的电压增益和输出信号的截止频率，并由数码管显示。
关键词:
单片机PIC16F877A数字电位器高低通滤波运算放大
1.系统设计
1.1系统框图
系统设计如图1所示。
本系统由放大器模块，滤波器模块，显示模块，按键模块构成。
单片机通过判断有无按键，从而控制放大器模块的放大倍数和滤波器模块的截止频率。
系统通过控制数字电位器X9312，改变其阻值，从而改变滤波器的截止频率。
同时，本设计还设有显示模块，用于显示按键设定的放大倍数、滤波器的类型及截止频率。
1.2方案比较与论证
1.2.1程控滤波器方案论证与比较
题目要求程控滤波器可设置为低通和高通，其-3dB截止频率fc分别在1kHz～25kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的增益不大于40dB,RL=1k。
根据题目要求，有以下方案：
方案一：
X9312为8位数字电位器,该电位器内部包含了99个电阻单元阵列，其模拟开关由7位二进制数字信号来控制,利用脉冲可调节其电阻值，但其阻值的的变化不是线性变化，而是以一定的步进值变化，若其突然掉电，其值将被保存在内部的寄存器中，最为重要的是电流可以双向流过其内部电阻阵列。
X9312时序图如图2所示：
方案二：
采用MAX262集成可由微处理器编程的通用开关电容滤波器完成设计。
MAX262可以通过改变输入时钟频率完成DC到170KHz频率范围内的高通、低通、带通以及带阻滤波
器的设计，而且外围电路结构简单，程序控制方便。
但由于时间紧迫，购买该芯片很不
方便，所以放弃使用该方案。
综合以上方案，本实验采用方案一更合理。
1.2.2放大器方案论证与比较
放大器的设计结合基本部分和发挥部分的要求，主要实现三个指标：
第一，放大器增益
可以程控；第二，最大增益要达到60dB；第三，程控步进范围为6dB。
方案一：
可以采用多组固定增益运算放大器，通过继电器或模拟开关进行多路的切换，从而达到增益可以程控的要求。
LF353为两运算放大器,具有低功耗高速等特点，工作电压在-18V～+18V范围之内，带宽增益可达4MHz。
此方案优点是电路结构明了，易于控制。
基于以上的优点选用LF353可满足设计要求。
方案二：
可以采用可变增益放大器AD603来实现。
AD603是一种低噪声且有电压控制增益的放大器，它的增益和控制电压成dB线性关系，很适合来做程控放大器。
为了满足发挥部分的电压增益为60dB，增益6dB步进可调的要求，采用两片AD603
进行级联，可对信号进行最大80dB（-20dB~60dB）的程控，可以满足基本部分和发挥部分的要求，而且电路形式简单，其缺点是工作电压在-7.5~+7.5范围之内。
综合以上方案，本实验采用方案一更合理。
2.单元电路设计
2.1放大电路模块
2.1.1工作原理
放大器电路原理图如图3所示。
依设计要求，要求实现最大的放大增益为60dB并可按步进值为6dB进行调节。
本设计采用LF353组成四级反相放大电路，其中，运放IC1A与IC1B的放大增益均为0dB和6dB两个状态，运放IC2A与运放IC2B的放大增益分别为18dB和30dB两个状态。
通过单片机对继电器工作状态的控制，实现对放大增益0~60dB的选择。
2.1.2参数计算及选择
1.放大倍数
设计中采用反相放大电路，当继电器J1工作在常闭状态时，其放大倍数为
，取
的电位器，将
调到10K时，放大倍数为1，即增益为0dB。
当继电器工作在常开状态时，其放大倍数为
。
取
，用22K的电位器，将
调到20K时，放大倍数为2,即增益为6dB。
同理可控制继电器J2,J3，J4，使它们工作在常闭状态时的增益均为0dB;工作在常开状态时分别为6dB,18dB,30dB。
2.四级放大
选用芯片LF353做为放大器。
LF353的带宽增益积为4MHz，又有
带宽增益积=放大倍数*通带带宽
根据设计要求，通带带宽为100Hz~50kHz,最大增益60dB，即最大放大倍数为1000倍，则：
实际电路增益带宽积=1000*（100Hz~50kHz）=（100kHz~50MHz）
其最大值超出LF353的带宽增益积，当电路的放大倍数分别为6dB，18dB和30dB时，其带宽增益积小于LF353的带宽带宽增益积。
因此，使每级放大电路的电压增益分别为6dB,6dB，18dB和30dB，通过四级的串联，就可实现最大增益为60dB，且可按步进6dB调节，因此采用四级放大的形式。
2.2二阶低通滤波模块
2.2.1工作原理
二阶低通滤波电路原理图如图4所示。
输入电压Ui经过两级RC低通电路后，再接到集成运放的同相输入端。
因此，在高频段，对数幅频特性将以-40dB／十倍频的速度下降，使滤波特性比较接近于理想情况。
电路中第一级的电容
不接地而改接到输出端，这种接法相当于在二阶有源滤波电路中引入了一个反馈，其目的是为了使输出电压在高频段迅速下降，但在接近于通带截止频率
的范围内又不致
下降太多，从而可以改善滤波特性。
设C1=C2=C,R1=R2=R,则其中心频率为
，
…………………………
（1）
令截止频率等于中心频率，通过改变R和C，就可以改变截止频率。
2.2.2参数选择及计算
1．二阶有源低通滤波器传输函数：
Au=
=
…………………………（２）
其中
=1+
为通带放大倍数，
为品质因数。
当取
时，根据设计要求电压增益为-3dB，则有
…………………………（３）
由式3解得
又由
得
。
因此根据式
=1+
选择R3=39K,Rf=22.85K（因没有22.85K的电阻，因此采用20K的电阻和5K电位器串联）。
当
时,将此关系带入公式3，则有：
=－24.6dB
所以总增益为:
，满足设计要求中在
处放大器与滤波器的总电压增益不大于40dB。
2.3二阶高通滤波器
2.3.1工作原理
二阶高通滤波电路如图5所示。
该电路同时引入了正反馈和负反馈，提高了电路的滤波特性。
根据公式：
可知，通过改变电路中R和C的值可改变电路的截止频率。
2.3.2参数选择及计算
1.取R1=R2=R，C1=C2=C，则有
。
2.若令
则二阶高通滤波器的传输函数为：
…………………………（4）
其中，通带放大倍数：
=1+
为，品质因数：
。
当取
时，根据设计要求电压增益为-3dB，则有
…………………………（5）
解得，
。
因此选择R3=39K,Rf=22.85K
当
时,将其带入公式5解得电压增益为－24.6dB，所以总增益为:
，满足设计要求中在
处放大器与滤波器的总电压增益不大于40dB。
2.3.3二阶高低通滤波电路原理图
设计中R1和R2由两个数字电位器X9312构成，通过单片机输入不同的值就可改变它们的阻值，又因X9312的阻值变化不呈线性变化，而是以步进为100
的阻值变化，而设计要求频率需按1kHz的步进从1KHz~25kHz变化，有些频率无法刚好达到，因此电路中设有两个电容，通过电容切换，最终实现所有的频率都能达到，以满足设计要求。
本设计中X9312为10K
电容分别取223和332。
3.软件设计
3.1软件功能及算法
该软件的设计实现对PIC16F877A的控制，通过按键来设置运算放大器的电压增益及截止频率。
同时，软件还实现由PIC16F877A控制数字电位器X9312输出不同的阻值。
从而实现数字滤波。
通过改变滤波器的截止频率，实现程控滤波器的功能。
并在数码管上显示放大器的电压增益、滤波器的类型以及截止频率。
3.2软件流程图
4.系统测试
测试结果：
由以上表可知，设计基本能达到设计要求，但是还存在一定的误差。
高通滤波的效果要比低通滤波的效果好。
电路的误差主要是由于滤波电容本身存在很大的误差，且还会漂移，使得实际测量值鱼理论计算值相差较大。
本设计所能达到的指标为：
1、放大器输入正弦信号电压振幅为20mV，电压增益为60dB，增益6dB步进可调，运算放大器输出无明显失真。
2、滤波器可设置为高低通滤波器，其截止频率fC在1KHz～25KHz范围内可调，步进为1KHz
3、电压增益与截止频率的误差均不大于10%。
4、显示模块可显示电压增益及设置的截止频率。
本设计本设计未能实现全部基本要求与发挥部分要求，硬件与软件均待改进。
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