程控滤波器.docx

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程控滤波器

编号：

D甲101

竞赛题目：

程控滤波器（D题）

参赛学生及专业：

陈仁海计算机科学与技术

徐金玉计算机科学与技术

原瑞花微电子学

学校：

山东大学

指导教师：

王立志王延伟秦峰

文稿整理老师：

陈言俊

2007年9月6日

程控滤波器

摘要：

本系统采用凌阳16位单片机（SPCE061A）作为控制核心，实现程控滤波器方案。

系统参数的设定通过键盘输入，控制器通过比较键盘输入值可以自动控制放大器的电压增益和滤波器的截止频率及高通或者低通电路；通过人机界面实现了程控滤波器的截止频率在1k~20kHz范围内步进1kHz，电压增益在40dB基础上实现了10dB步进可调，无明显失真，且它们误差都小于5%；人机接口采用液晶显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。

语音播报由凌阳单片机自带的语音模块来实现；在软件控制上采用前后台结构。

在此基础上完成了四阶椭圆低通滤波器及幅频特性测试仪的制作，符合题目要求。

关键词：

程控滤波器，电压增益，截止频率，LCD，椭圆滤波器,集成运放

Abstract：

ThissystemuseSunplus061Aascontrolcore,carryingoutaprojectofprogrammablefilter.Systemparameterssetbykeyboardinput,keyboardcontrollerbycomparingtheinputvoltagecangaincontrolamplifierandfiltercut-offfrequencyandhigh-passorlow-passcircuit.Throughtheinterfaceoftheprogram-controlledfiltercutofffrequencyin1k~20kHzwithinStepping1kHz,thevoltagegain40dBbasedona10dBstepadjustable,andnoobviousdistortion,andtheirerrorsarelessthan10%;human-machineinterfaceusingLCD,controlinterfaceintuitiveandsimple,withgoodtheinteractiveperformance.Currentstatusandvoicebroadcastiscompletetasks,andotherfunctions,SunplusvoicebroadcastbytheMCU'sownvoicemoduletoachieve;SoftwarecontrolinTaiwanbeforeandaftertheuseofthestructure.Onthebasisofthisfourcompletedtheorderellipticlowpassfilterandamplitudeandfrequencyoftestingfortheproduction,thesubjectrequest.

Keyword：

ProgrammableFilter,VoltageGain,Cutofffrequency,LCD,Ellipticfilters，operationalamplifier

1.系统方案选择与论证

1.1系统总体方案的论证

负载不影响滤波特性，从而提高电路的精度，我们选用优于无源滤波器的有源滤波器。

方案一：

采用巴特沃斯（Butterworth）滤波器。

巴特沃斯的特点是在fo附近变成圆弧形，而且在阻带以-20ndB/dec的斜率滚降，因而贴切的称为最大平坦。

具有通带内最大平坦的振幅特性，且随f↗单调↘，其幅度平方函数具有如下形式：

式中，N为整数，称为滤波器的阶数，N越大，通带和阻带的近似性越好，过渡带也越陡。

方案二采用切比雪夫（Chebyshev）滤波器。

切比雪夫滤波器以引入通带起伏为代价，使过渡带曲线下降的斜率最大化。

由于切比雪夫滤波器可以用于低于巴特沃斯滤波器的阶次来实现过渡带截止频率，因而降低了电路的复杂性和价格。

然而切比雪夫在fo的不平坦，起伏大却是最大缺点。

如图1所示为两种滤波的幅度特性。

基于上述方案比较和题目中的要求，我们最终采用了方案一。

1.2系统各模块方案选择和论证

下面分别对几种不同的设计方案并进行了论证，在其中选取了较好的方案实现。

（1）系统电源

交流220V电压经电源变压器降压、整流二极管桥式整流、电容器滤波后，得到直流电压。

电路原理图见附录1。

（2）键盘模块

利用数码管驱动及键盘控制芯片CH451管理键盘电路。

CH451内置64键键盘控制器，按键状态输入的下拉电阻和去抖动电路，并提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放。

CH451同单片机进行串行通信，只占用较少的I/O口，节省资源。

虽然编程相对复杂，但读取精确，方便控制。

图参见附录2。

（3）控制器模块

采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心。

其具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、中断处理能力强、开发灵活等特点，内嵌32k字闪存FLASH，适用于快速数据处理和数字语音等应用领域；也可以方便得进行外围设备的扩展。

其内部结构框图如附录3所示。

由于本系统需要较一定的数据运算与处理，可用C语言比较容易的进行编程以完成相应功能。

（4）显示模块

为满足题目要求，需要清楚的显示电压增益和滤波器的截止频率，以及步进。

采用点阵液晶模块。

液晶模块可以显示字母、数字符号、中文字符及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能，具有显示信息量大，美观的特点。

（5）运算放大器模块

方案一：

选用LM318芯片。

LM318芯片通频带带宽大，但是精度不高，实验中噪声很大，很难实现精确控制。

方案二：

选用OP37芯片。

OP37精度适中，通频带宽大，综合精度和带宽的考虑，以及本题目的要求，选用方案二。

电路原理图见附录4

（6）滤波器模块

我们用级联设计将两个二阶项巴特沃斯电路合并产生一个四阶项电路,巴特沃斯四阶低通和高通的电路图见附录5和6。

（7）幅频特性测试仪的制作

系统自带信号源，采用12位AD制作幅度特性测试仪，采用电压比较器制作频率特性测试仪。

其电路原理图见附录7。

（8）四阶椭圆低通滤波器

用Filersolutions8.1软件模拟生成基本电路原理图（见附录8.①），以及幅频特性图（见附录8.②），根据实际情况再修改。

芯片采用OP37，OP37精度高。

由此可见系统可以划控制部分、放大部分、滤波部分和显示部分。

其中控制部分包括：

控制器模块，键盘模块。

放大部分包括：

集成运算放大器模块。

显示部分包括：

LCD显示模块。

滤波部分包括：

巴特沃斯低通/高通模块。

1.3系统各模块的最终方案

经过上述的分析和论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下：

（1）键盘模块：

采用CH451驱动的4*4键盘；

（2）电源模块：

采用过滤，滤波，稳压等电路实现；

（3）控制模块：

采用SPCE061A16位单片机；

（4）显示模块：

采用LCD构成显示模块；

（5）放大器模块：

采用OP27构成集成运放放大电路；

（6）滤波器模块：

采用两个二阶项巴特沃斯级联成实现；

（7）幅频特性测试仪：

分两块实现；

（8）四阶椭圆低通滤波器：

用OP37实现。

综上所述，系统总的框图如图2所示。

图2系统总框图

2.理论分析与计算

通过详细的考虑和计算我们采用巴特沃思四阶高通/低通滤波器，其基本电路由二阶巴特沃思级联而成。

在分析有源滤波电路时，一般通过“拉氏变换”，将电压与电流变换成“象函数”U（s）和I（s）,因而电阻的R（s）=R,电容的Zx（s）=1/（sc）,电感的Zl（s）=sL,输出量与输入量之比成为传递函数，即：

H（s）=Uo（s）/Ui（s）

二阶Butterworth滤波网络的传递函数为

（1）

式

（1）中S是Laplace变量,

为系统的阻尼系数，

为系统的固有角频率．

如图3示为一款由集成运放实现的二阶低通RC有源滤波器原理电路，此电路为无限增益多路反馈滤波电路，其滤波器不会因通带放大倍数数值过大而产生自激震荡，求得传递函数为

（2）

式

（2）中Ko=1+Ro／R为电路直流增益．对比式

（2）和式

（1）可知，有源电路固有角频率

（3）

我们的任务是要使电阻、电容参数的选择和调试显得方便，同时还要保证截止频率fo有较规范的解析式．取C1=C2,R1=R2,则截止频率fo变为

（4）

根据上面的分析，令式（4）中的R1=R2=R（Dr），Dr可取1～255的任何一个整数，则电路截止频率fo与R（Dr）成反比；R（Dr）呈线性增减，滤波器截止频率fo则随之减增．即当R1,R2,C1,C2,R3,R4确定后，只要电阻函数R（Dr）按R1=R2的比例关系改变，即可实现滤波器截止频率的程控之目的。

现在用级联设计将两个二阶项合并产生一个四阶项电路，级联方式有很多优点。

每一节的设计相对较简单，元件值也一般较低。

每节低输出阻抗消除了级间负载效应，因此如果需要的话，可以将每节看成是独立于其它部分的，从而可以单独进行协调，还可以使用一些标准模块来设计出各种各样和更加复杂的滤波器。

频率则是对1Hz的截止频率归一化来表示的。

把归一化的频率与将要设计的滤波器截止频率fc相乘，可以得到实际频率

。

而通过观察可知巴特沃斯的

都等于1。

设截止频率为fc，1k≤fc≤20k，且

两个二阶电路的截止频率都相等，简单起见，令四个电容都相等，则通过单片机控制数字电位器使之改变阻值，从而改变输出频率，达到程控的目的。

对于巴特沃斯四阶低通电路，前两个运放组成的其截止频率

，其

，Dr可取1～255的任何一个整数，通过单片机控制数字电位器AD8403的阻值，就可以控制输出截止频率的大小。

后面一个运放补偿输出的损失。

计算高通传递函数可以通过把低通传递函数中的s/wo换成1/（s/wo）后得到，而且低通的归一化频率在高通滤波器设计中仍然可以使用，实际电路设计中将电阻和电容互换即可。

四阶巴特沃斯低通和高通的电路原理图见附录5，6。

3.系统的硬件设计与程序实现

3.1系统的硬件设计

（1）智能控制电路

键盘输入命令至单片机，单片机控制电路，然后用液晶显示状态。

该部分包含键盘显示电路和CPU控制电路。

由于在基本要求中有手动控制测量要求，所以需要键盘来控制。

采用CH451驱动的4*4键盘，用SPCE061单片机控制整个系统的自动化测量，其连接电路见附录10。

（2）滤波器电路

继电器接受单片机指令控制集成运放部分，调节电压增益；滤波电路则通过数字电位器的改变来达到设定的截止频率。

我们采用了四阶巴特沃斯有源低通和高通电路。

对于低通用三个运放实现，前两个运放有无限放大增益的作用，第三个运放是补偿作用。

（3）液晶显示电路的设计

为了节省宝贵的IO资源，采用了串行方案，利用3个IO口与单片机通信，我们使用的是带中文字库的4×8金鹏HS12864液晶，可以实现较好的界面显示，易于人机交流。

通过键盘控制可以切换到设定电压增益和步进界面，设定截止频率和截止频率步进界面。

在此状态下可以按键设置数值，若设置错误可以按取消键重新设定。

（4）四阶椭圆低通滤波器的设计

我们用Filersolutions8.1软件模拟生成四阶低通椭圆电路原理图，在次基础上