2023年基于AT89S52单片机的程控滤波器设计.doc

基于AT89S52单片机的程控滤波器设计.txt26选择自信，就是选择豁达坦然，就是选择在名利面前岿然不动，就是选择在势力面前昂首挺胸，撑开自信的帆破流向前，展示搏击的风采。 本文由cdled003奉献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 己口ｌ口年］月 第己ｇ卷第］期 基于ＡＴ８９Ｓ５２单片机的程控滤波器设计 陈世夏戚甫峰 丁国臣 〔海军航空工程学院青岛分院航空电子系 青岛 ２６６０４１〕 摘 要：以ＡＴ８９Ｓ５２单片机作为控制核心，设计一个高性能的程控滤波器。放大电路采用由单片机ＡＴ８９Ｓ５２、ＤＡＣ０８３２和 集成运放组成的程控放大电路，可实现对放大器增益的设置，同时实现增益的步进可调，增益变化范围为ｏ～６０ ｄＢ；显示局部 采用ｏＣＭ２×１６字符点阵系列模块，以实现设置参数显示功能；低通选用二阶低通贝赛尔滤波电路，高通采用压控二阶高通 滤波电路，选用ｘ９３１２数字电位器来控制截止频率，ｏ在１～２０ ｋＨｚ可调。经实验调试，较好地实现了预定的功能，系统的可 靠性和性价比拟高。 关键词：单片机；程控放大电路；贝赛尔滤波器；数字电位器 中图分类号：ＴＮ７１３ 文献标识码：Ｂ Ｄｅｓｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｏｇｒａｍ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｓｈｉｘｉａ Ｇｕｏｃｈｅｎ ｏｎ ＡＴ８９Ｓ５２ Ｃｈｅｎ Ｑｉ Ｆｕｆｅｎｇ Ｄｉｎｇ 〔Ｎａｖｙ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ Ｑｉｎｇｄａｏ ｂｒａｎｃｈ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０４１，Ｃｈｉｎａ〕 ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｆｉｌｔｅｒ． ｏｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ＡＴ８９Ｓ５２ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ，ｄｅｓｉｇｎｅ ａ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｇａｉｎ ｃｏｍｐｏｓｅ ｏｆ ＡＴ８９Ｓ５２，ＤＡＣ０８３２ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐ—ａｍｐ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｎｔｒ０１．Ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｅｔｔｉｎｇｓ，ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｇａｉｎ—ｓｔｅｐ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｆｒｏｍ Ｏ ｄＢ ａｃｔｅｒｓ ｔｏ ６０ ｄＢ．ＬＣＤ ｍｏｄｕｌｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ０ＣＭ２×１６ ｏｆ ｄｏｔ—ｍａｔｒｉｘ ｃｈａｒ— Ｂｅｓｓｅｌ ｆｉｌｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ． Ｈｉｇｈ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｕｓｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． ｓｏｕｒｃｅ Ｌｏｗ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｕｓｅ ｌｏｗ—ｐａｓｓ ｖｏｌｔａｅ ｃｏｎ— ｔｒｏｌｌｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｒｏｍ １ ｋＨｚ ｔｏ ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒ ｈｉｇｈ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ． ｔｏ Ｕｓｉｎｇ Ｘ９３１２ ｄｉｇｉｔａＩ ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏＩｌｅ ｃｕｔ—ｏｆｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｏ ２０ ｋＨｚ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄｅｂｕｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｔｔｅｒ ａｃｈｉｅｖｅ ｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｈ培ｈｅｒ ｓｙｓ— ｔｅｍ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｓｔ—ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ＳＣＭ；ｐｒｏｇｒａｍ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｆｉｌｔｅｒ；ｂｅｓｓｅｌ ｆｌｉｔｅｒ；ｄｉｇｉｔａｌ ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ 单，但步进倍数的调整比拟复杂，且难以实现比拟精确的 调整。 方案２：采用多级放大电路和程控增益电路。用 ＯＰ０７和肚Ａ７４ｌ作为放大器件实现三级放大，程控增益电 路通过单片机控制ＤＡＣ０８３２实现模拟量输出，具有增益 量程多变，易于实现步进控制，输出频带宽等优点。 由于本设计要求增益步进可调，且范围较宽，方案１ 实现较困难，方案２比拟适合，故采用方案２作为放大 电路。 １．２滤波电路的选择 方案１：采用数字滤波。数字滤波灵活性大，可以在 不增加硬件本钱的根底上对信号进行有效地滤波。但要 进行高效率地滤波，对Ａ／Ｄ要求有较高的采样速率和实 时性，对单片机速度要求较高。 ０ 引 言 增益和截止频率是有源滤波器的重要指标，为了实现 增益和截止频率可调，传统的设计方法是采用调节反响电 阻和滤波电容，但要使增益和截止频率步进可调，那么必须 采用新的方法。为了解决上述问题，本设计采用单片机作 为控制核心，较好地解决了滤波器的增益和截止频率调节 问题。 １ 系统方案的论证与比拟 １．１放大电路的选择 方案ｌ：采用多级放大和步进电位器。控制局部采用 改变电阻的方式实现增益的步进可调，电位器为电阻步进 〔１００ Ｑ〕可调。采用三级肚Ａ７４１放大电路，此电路结构简 作者简介：陈世夏，本科，副教授，现为海军航空工程学院青岛分院航空电子系教员，主要从事电子技术教学与研究。 中国科技核心期刊 万方数据 一３９— 己口Ｉ口年］月 研究与开发 方案２：采用数字电位器和二阶贝赛尔有源滤波电 路。数字电位器将数字信号转化成电阻量，采用单片机控 制可实现输出不同的阻值，从而改变滤波电路的截止频 率。低通滤波器选用贝赛尔滤波电路，滤波性能和时延性 好，且没有上冲Ｈ］。 设计要求滤波器截止频率步进可调，方案２采用贝赛 尔滤波器加数字电位器，由单片机控制易于实现，故采用 方案２。 １．３总体方案 经过分析比照，本系统以单片机为数据处理的核心， 将设计任务分为放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、 ＬＣＤ显示、操作面板等模块。系统设计的框图如图１ 所示。 第己ｇ卷第］期一 表１增益步进关系 由表１可知，根据增益步进要求，单片机每给出一个 数字量，经Ｄ／Ａ转换，输出对应模拟量，较好地实现增益 步进可调。 ２．１．３通频带的计算 在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下 降并产生相移，题目要求通频带为１００ Ｈｚ～４０ ｋＨｚ［１］。 上限截止频率：，Ｈ≈———兰一 ¨√骞去 ｒ１■—一 图１系统框图 下限截止频率：，Ｌ≈１．１√善尼 放大电路采用三级相同频率特性的电路，根据给出的 通频带可以算出每级的上、下截止频率，，Ｈ一７６．２１ ｋＨｚ， ＾一１０４．９７ ２理论分析与计算 ２．１放大电路 为实现电压增益为４０ ｄＢ，发挥到６０ ｄＢ，采用分别输 出的方式实现。电压增益误差不大于５％，通频带为 １００ Ｈｚ。通频带ＢＷ一＾一＾≈，Ｈ，根据增益 带宽乘积ＧＢ—Ａ。。×ＢＷ，可得ＧＢ—ｏ．７６２ ＭＨｚ，因此 应中选择≥０．７６２ ＭＨｚ范围的放大器，“Ａ７４１ ＧＢ一 １ Ｈｚ～４０ ｋＨｚ，输入信号为正弦信号且幅值为１０ ｍＶ， ＭＨｚ，应选用“Ａ７４１［“。 选用０Ｐ０７和肚Ａ７４１来实现放大，０Ｐ０７具有高精度低温 漂特性，可满足设计要求。 ２．１．１ ２．２低通、高通滤波电路参数 根据电路的性质和仿真的结果，得到对应的低通和高 通滤波器参数如表２、表３所示。 表２低通滤波参数 截止频率 ／ｋＨｚ １ ２ ３ Ｘ９３１２ 电压放大增益的计算 根据放大倍数关系式Ａ。一２０ｌｇ△Ｌ『０／△Ｕ一６０ ｄＢ，计算 出础。／△Ｕ一１ ｏｏｏ，因此输出电压Ｕ０—１０ Ｖ。采用三级放 大，每级放大１０倍，采用反相比例运算电路，那么每级输出电压 ． 为ｕｊ一一〔Ｒｒ／Ｒ〕ＵＩ，可得Ｒｒ／Ｒ一１０，根据式Ａ—Ｉ｜Ａ。， ＾＝１ 土． 截止频率 ／ｋＨｚ １１ １２ １３ １４ １５ １６ １７ １８ １９ ２０ Ｘ９３１２ 输出阻值／Ｑ ６４６ １ ２５２ １ ８５８ ２ ４６４ ２ ９６９ ３ ３７３ ３ 输出阻值／Ｑ ５ １９１ ５ ４９４ ５ ７９７ ６ ２０１ ６ ７０６ ７ ００９ ７ ５１４ ８ １２０ ８ ８２７ ９ ７８６ 计算出放大后的电压值，静态时为１０ Ｖ。 ２．１．２步进输入的计算 实现增益１０ ｄＢ步进可调，是通过数字量的变化来控 制的，要实现步进首先应先将输入的模拟量转化成数字 量，处理后转化成模拟量输出，此时输出信号的幅值可调， 根据要求输出模拟量的变化幅度为１ ｍＶ。输出电压Ｕ。 ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ ７７７ 与输入数字量的关系为【，。一一〔ｕｒｅｆ／２５６〕Ｄ，其中Ｄ为单 片机送给０８３２的数字量，当输入给定数字量时，输出为模 拟量，以实现步进可调［３１。输入与输出的关系如表１ 所示。 ４ １８１ ４ ５８５ ４ ８８８ 一４０一 万方数据 中国科技核心期刊 己口ｌ口年］月 第己９卷第］期 表３高通滤波参数 截止频率 ／ｋＨｚ １ ２ ３ ４ 表２、表３说明了低通和高通滤波器截止频率与数字 Ｘ９３１２ Ｘ９３１ 截止频率 ／ｋＨｚ １１ １２ １３ １４ １５ １６ １７ １８ １９ ２０ 电位器数值的一一对应关系。 输出阻值／Ｑ １０ ０００ ８ ３２２ ５ ８９８ ４ ５８５ ３ ８７８ ３ ２７２ ２ ７６７ ２ ４６４ ２ ２６２ ２ ０６０ 输出阻值／Ｑ １ ８５８ １ ７５７ ｌ ６５６ １ ５５５ １ ４５４ １ ３５３ １ ２５２ １ １５１ １ ０５０ ９４９ ３电路与程序设计 ３．１程控放大器的设计 为实现放大器电压增益４０ ｄＢ，且１０ ｄＢ步进可调，通 频带为１００ Ｈｚ～４０ ｋＨｚ，因此可以把电路分成两局部：一 局部为由单片机控制的可变输出，另一局部为多级放大。 ３．１．１单片机控制电路 电路主要由ＡＴ８９ｓ５２单片机、８位ＤＡｃ０８３２数模转 换芯片和集成运放ＬＭ３２４组成。工作原理是：首先，０８３２ 将此模拟信号转化成数字信号送入单片机，经过单片机的 处理在将输出的数字量送给ＣＡＣ０８３２，通过ＬＭ３２４输 出。电路见图２［３］。 斗５Ｖ ＩＮＰＵＴ ５ ６ ７ ８ ９ １０ ＡＴ８９Ｓ５２ ＥＡ册 Ｘ 黜 ＰＯ．２ Ｐ０＿３ Ｐ０．ｄ ＰＯ．５ ３９ ３８ ３， ７ ６ ５ ４ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｏ ＩＬＥ ３６ ３５ ３４ ５