程控滤波器.docx

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程控滤波器

摘要

选用单片机89C52作为程控滤波器的控制单元；集成开关电容滤波芯片LMF100来完成滤波工作；AD9850及其周围电路作为程控振荡器，产生LMF100的时钟信号；通过键盘进行截止频率、中心频率设定，并将截止频率和滤波器类型显示在LCD上。

通过AD9850产生稳定的时钟信号，使得滤波器更加地稳定。

关键词：

程控滤波器；开关电容滤波；截止频率；中心频率

Abstract

Usethe89C52single-chipprogrammablefiltercontrolunit;integratedswitched-capacitorfilterchipLMF100tocompletethefilterwork;AD9850andaroundthecircuitasaprogrammableoscillatorgeneratestheclocksignalLMF100;viathekeyboardcut-offfrequency，centerfrequencysettings，andthecutofffrequencyandfiltertypedisplayedontheLCD.ThroughtheAD9850generatesastableclocksignal，whichmakesthefiltermoretostabilize.

Keywords:

programmablefilter;switched-capacitorfilter;cut-offfrequency;centerfrequency

1引言

1.1滤波器简介

滤波器（filter），是一种选频装置，对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效过滤。

其功能就是让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。

滤波器类型分为：

巴特沃斯滤波器、贝塞尔响应滤波器、切比雪夫响应滤波器。

　　按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。

　　低通滤波器：

它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。

　　高通滤波器：

它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。

　　带通滤波器：

它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。

带阻滤波器：

它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。

下面是低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）四种滤波器的幅频特性示意图。

（a）低通滤波器（b）高通滤波器

（c）带通滤波器（d）带阻滤波器

图1四种滤波器幅频特性示意图

1.2设计要求

（1）基本要求

①输入电压：

10mV-2V（有效值）；

②滤波器可设置为

低通滤波器：

-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，频率步进为1kHz；

高通滤波器：

-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，频率步进为1kHz；

③截止频率误差：

<10%；

④用LCD显示滤波器类型和截止频率fc。

（2）发挥部分

①带通滤波器：

-3dB截止频率fcL在100Hz～10kHz范围内可调，频率步进为1kHz；-3dB截止频率fcH在10kHz～20kHz范围内可调，频率步进为1kHz；

②带内增益起伏：

≤1dB；

1.3方案比较

方案一：

采用分立元件设计滤波器。

对电阻、电容的精度要求高且截止频率不易调节。

方案二：

选用单片机89C52的程控滤波器的控制单元；选用芯片MAX262完成滤波工作，此芯片与单片机共用同一晶振，并经过详细计算进行参数设置，通过单片机对其进行控制字地写入，来改变时钟频率、品质因数Q，从而改变滤波器的截止频率；通过键盘进行截止频率、滤波器类型设定，并将截止频率和滤波器类型显示在LCD上。

由于为了简化电路，将MAX262与单片机共用同一晶振，但这使得参数计算变得十分复杂，增加了设计、实现的难度。

方案三：

选用单片机89C52的程控滤波器的控制单元；集成开关电容滤波芯片LMF100来完成滤波工作；AD9850及其周围电路作为程控振荡器，产生LMF100的时钟信号；通过键盘进行截止频率、滤波器类型设定，并将截止频率和滤波器类型显示在LCD上。

通过AD9850产生稳定的时钟信号，这使得滤波器更加地稳定。

通过对比以上三种方案，方案二、方案三都可以达到所要求的指标，但是方案二的性价比没有方案三高，并且方案三更加的稳定。

所以我们选择方案三。

2.硬件电路设计

2.1总体电路设计

选用单片机89C52作为程控滤波器的控制单元；集成开关电容滤波芯片LMF100来完成滤波工作；AD9850及其周围电路作为程控振荡器，产生LMF100的时钟信号；通过键盘进行截止频率、滤波器类型设定，并将截止频率和滤波器类型显示在LCD上。

其系统模块主要分为滤波电路，程控振荡器，单片机，显示模块，键盘模块五大部分。

系统模块图如图2所示：

图2系统模块总框图

2.2单片机外围电路

MCS-51系列单片机内集成了中央处理器（CPU）、4KB程序存储器（ROM）、128B数据储存器（RAM）、128B特殊功能寄存器（SFR）、2个16位的定时器/计数器（T0和T1）、4个8位的并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）、1个串行口、中断系统等，它们通过片内单一总线连接起来。

（1）单片机的复位电路

系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，复位使CPU和其它部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。

此设计单片机的复位电路如图3所示

图3单片机的复位电路

在单片机运行期间，利用按键也可以完成复位操作。

单片机复位操作使单片机进入初始化状态。

复位后，程序计数器PC=0000H，因此，程序从0000H地址单元开始执行。

运行中的复位操作不会改变片内RAM的内容。

复位是靠外部电路实现的。

（2）单片机时钟电路

单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端。

在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。

此设计单片机时钟电路如图4所示

图4单片机的时钟电路

XTAL1和XTAL2两端将晶振、电容C1和C2与内部的反相放大器连接起来组成并联谐振电路，图中C1、C2区30PF，对频率有微调作用，振荡频率范围在2~12MHZ。

（3）单片机的最小系统

所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。

对于单片机内部资源已能满足系统需要的，可直接采用最小系统。

51型片内有4K的ROM/EPROM，因此，只需要外接晶体振荡器和复位电路就可构成最小系统。

本设计的单片机最小系统如图5所示。

图5单片机最小系统

在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由11.0596MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。

在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经10uF的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关S接电源。

其主要功能是把PC初始化为0000H，是单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动，因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。

2.3程控振荡器电路

程控振荡器以AD9850为核心，AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成，运用单片机实现对AD9850的控制编程简便、接口简单、成本低，容易实现系统小型化，因此采用单片机89C52作为控制核心来向AD9850发送控制字。

（1）AD9850芯片介绍

AD9850是AD公司生产的最高时钟为125MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器（ADC）和高速比较器三部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成。

AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成。

可编程DDS系统的核心是相位累加器，由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为24～32。

每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。

相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。

正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。

查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC输出模拟量。

（2）AD9850引脚如图6所示

图6AD9850引脚图

D0-D7：

在并行装载时，连续地装载32比特的频率调整字和8位相位/控制字。

串行装载时，32比特的频率调整字和8位相位/控制字从D7管脚装载。

DGND：

数字地。

DVDD：

供数字电路的电压

AGND：

模拟地。

AVDD：

供模拟电路的电压。

W_CLK：

字加载时钟。

这个时钟是用来装载并行或串行的频率/相位/控制字。

FQ_UD：

此管脚有一上升沿，DDS将根据输入寄存器中装载的数据更新频率或相位，然后将指针指向Word0。

CLKIN：

参考时钟输入。

RSET：

此管脚到地之间的电阻决定了AD9850内部DAC最大输出电流。

（电阻值是3.9kΩ，输出电流=10mA）RSET/IOUT的关系是：

IOUT=32（1.248V/RSET）。

QOUTB：

比较器的互补输出。

QOUT：

比较器的输出。

VINN：

反相输入电压。

这是比较器的负端输入。

VINP：

同相电压输入。

这是比较器的正端输入。

DACBL（NC）：

DAC的基准参考电压，常悬空。

IOUTB：

互补DAC的模拟输出

IOUT：

DAC的模拟电流输出

RESET：

复位脚。

高电平时除了输入寄存器除外清除所有的寄存器内容。

（3）此设计中AD9850外围振荡电路如图7所示。

图7AD9850外围振荡电路

AD9850的复位（RESET）信号为高电平有效，且脉冲宽度不小于5个参考时钟周期。

AD9850的参考时钟频率一般远高于单片机的时钟频率，因此AD9850的复位（RESET）端可与单片机的复位端直接相连。

2.4.LMF100有源滤波器

程控滤波器以LMF100为核心，LMF100是双二阶开关电容有源滤波器。

由微处理器精确控制滤波函数可构成低通、高通、带通等滤波器，且不需外部器件。

它含有两个二阶滤波器，通过改变时钟频率与中心频率的比值来设定滤波器的截止频率。

LMF100共有9种工作模式，可用来实现高通、低通、带通、阻带及全通滤波器。

此设计采用工作模式3。

（1）模式3的内部结构图如图8所示。

图8模式3的内部结构图

模式3的采样时钟是典型的二阶状态变化滤波器。

在此模式下，调节R2、R4的阻值，可以使中心频率（或截止频率）达到

/100或

/50上下，通常这个模式适合实现一个独立的时钟频率的切比雪夫型滤波器。

如果为了避免Q值变化，可以在R4处并联一个（10-100pF）电容。

（2）LMF100引脚介绍

LMF100引脚如图9所示

图9LMF100引脚图

引脚名最后一个字母表示其所属第几个滤波器单元，如A表示第一个，B表示第二个。

引脚名前几个字母表示其功能，如IN为输入，BP为带通输出，LP为低通输出，HP为高通输出。

CLKA，CLKB为外部输入时钟控制信号。

VA+、VA-、VD+、VD-是模拟、数字的正、负极输入端。

50/100是选择时钟频率与中心频率（或截