程控低通滤波器的设计毕业设计(编辑修改稿)

程控低通滤波器的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的设计需求， 并 给出了两种设计方案通过对比最终选择了方案二， 然后 详细分析了整个系统的组成单元和每个单元要实现的功能及目的。 黑龙江 工程 学院本科生毕业设计 7 第 3 章 硬件设计 在 本 次 的课题 设计 中 最重要的一部分就是 硬件 电路 设计 ， 这 一部分 是 制作实际电路板 必须 要进过的一个环节， 根据对实际 功能 的需求设 计出符合并能实现程控低通滤波器的电路。 在 进行电路设计之前需要先进行截止频率的计算，然后才能选定好各电子器件数值。 在 整个的 系统设计电路 主要包括 微 控制 器 电路 设计 、 压 控电压源二阶低通滤波器的设计 、按键及液晶显示电路、系统供电电源电路的设计等， 只 有这些功能电路都成功地实现后 ， 整个系统设计电路才能够成功实现， 下面将一一介绍。 微 控制器电路设计 微 控制器是整个程控 低通 滤波器中程控部分实现的核心，也是整个系统电路的设计中心控制电路，所以这部分的电路是非常重要的。 根据 硬件模块的需 求 可知单片机要具备处理 性能 好 、 操作 简单 等 功能。 本 次设计选 用的是 STC89c52RC 单片机 ，这款 微 控制器有着低电压、低功耗 、性能 强、数据 处理速度 快等功能强大的优点，可以应用于大多数情况复杂的控制应用电路。 所以 满 足这款芯片正常稳定工作运行的核心控制硬件模块为此次设计的第一部分， 控制 电路如 图 所示 ： 图 单片机 最小系统 上 图为单片机的最小系统电路， 由于单片机 内部没有晶振来提供系统所需时钟也黑龙江 工程 学院本科生毕业设计 8 没有复位电路给系统进行复位，所以 由 C C7 两个 电容 结合 12M 的晶振 组 成 给 单片机 固定 的 节拍 时钟 ，由按键 SWPB 结合 电容 C 电阻 R2 构成 单片机 复位电路， 同 时给单片机的 P0 与 P2 端口外 接 的 上 拉电阻。 此 款单片机的工作电压为 ~，内部 Flash 为 8K、 RAM 为 512 字节。 在 对 芯片进行程序下载时可以利用串口直接下载电路需要的程序。 这 部分的设计主要要考虑到单片机的性能，所 拥 有的 I/O 引脚是否够此次设计的使用 ， 因为在此次设计中要使用到三个按键、三个模拟 开关 的控制端 、 十个左右的液晶显示端和 单片机 最小 系统 需要的晶振 、 复位按键等。 单片机 要 有很好地反应速度和处理能力，它要实现液晶电路的显示、输入按键的信号处理和对模拟开关的 输出 通道模式 选择。 微 控 制器作为系统的控制核心，其性能对系统完成后的整体性能影响很大，所以选择一个合适的微控制器是设计成功的基础。 低通滤波 电路 设计 理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过，而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减。 本次设计 我选择了 二阶 sallenkey 低通 滤波器，如图 所示 ： 图 二阶 sallenkey 低通滤波器电路图 有源二阶低通滤波器的传递函数为： 222)(cccvsQsAsA () 滤波器的性能参数表达式为： 21211 CCRRc  () 2222211)1(11 CRACRCRQ vC  () 黑龙江 工程 学院本科生毕业设计 9 增益为 ： 01 RRA fv  () 在这里我让放大倍数 Av =1，即 R0 开路， Rf 短路，此时， Q=。 本设计的截止频率分别是 50Hz、 100Hz和 1KHz。 为了减少模拟开关的个数，本次设计我取电阻不变，只改变电容值的做法，取电阻 R1=R2=10KΩ，则根据公式： C1=2C2， RCf 2/1计算求得：当 C1=300nF、 C2=150nF 接入电路时，截止频率为 50Hz；当 C1=110nF，C2=51nF 接入电路时， 截止频率为 100Hz；当 C1=15nF， C2= 接入电路时，截止频率为 1000Hz。 即整个程控滤波器可分为三个档位，通过 对不同的电 容 的切换 ， 进而切换出巴特沃斯滤波器 ， 而改变电容这个过程则需要控制芯片和模拟开关共同作用方可完成。 在 此次的课题设计中实现不同截止频率选择的功能 电路是 由 CD4051 模拟 开关去控制的，在这个电路环节中模拟开关和电压跟随器、运放共同组成了 二 阶低通 滤波 电路的设计。 这 部分可以说是整个系统电路的核心 组成 ，它的性能直接决定了电路的技术指标 ， 所以它的设计是非常重要的，具体的原理图如 图 示 ： 图 程控滤波模块 原理图 从 上面的原理图可以看出， 信号 首先进入电压跟随器， 此次 设计用到的电压跟随器 是 由运放 LM358 构成信号 由 IN 接入 运放的正相端，然后运放的输出端接入运放的负相端实现运放的一个负反馈，接下来是进入 由 电阻、电容、运放构成的 有 源二阶 低通 滤波器，首先进过电阻 然后并联 到一个电容接地， 接 入运放 LM358 的 正 相 接入端。 接 下来 电阻 再通过一个并 联 电容直接 接入 到运放输出端形成一个正反馈电路 ， 这样形成回路后将信号输出至 电压 跟随器然后在 OUT 处接入示波器观察滤波器处理后的信号波形。 黑龙江 工程 学院本科生毕业设计 10 在 图 中可以发现 ， 截止频率的不同 数值 实现 是 通过接入两个不同 的 电容值形成不同的滤波电路去实现的。 在 这 里就需要进行不同电容值之间的正确切换，所 以就需要用到模拟开关去实现这个要求 ， 在本次的系统设计中选用的模拟开关是 CD4051它 有着使用简单功能强大反应迅速 等特点。 首先 在单片机的 端口 处选择三个引脚 作 为控制端的输出命令信号，然后将三个引脚分别对接模拟开关的通道选择端 A、 B、 C三 个引脚， 模拟 开关 拥 有 1 个 输入口， 8 个输出 通道的选择。 在 具体 的工作实现中是通过输出高低电平给 A、 B、 C 然后 选择对应的通道，例如输入 三 个 000 低 电平就会选择输出通道 0， 输入 001 两 低一高电平就会选择输出通道 1。 通过 这样方式就可以接入不同的电容值 [12]， 例如 电路 设计是产生截止频率为 50Hz 的低通滤波器， 按下按键 0，给 运放接正负两个电源供电，各电阻电容值 分别 为： R1=R2=10KΩ， C1=300nF， C4=150nF；电路 设计是产生截止频率为 100Hz 的低通滤波器， 按下按键 1， 给 运放接正负两个电源供电，各电阻电容值 分别 为： R1=R2=10KΩ， C2=110nF， C5=51nF；电路 设计是产生截止频率为 1KHz的低通滤波器， 按下按键 2， ,给 运放接正负两个电源供电，各电阻电容值 分别 为： R1=R2=10KΩ， C3=15nF， C6=。 显示 控制电路设计 在 整个 选择截止频率不同的 滤波电路时是通过按键实现的，但 在 实际应用中有一个不方便的地方就是按键给工作人员带来的感觉不直观，不能让 使用 者一看就明白此时电路 处于 哪个模式、截止频率为多少。 基于 这 种现实考虑系统决定引入液晶显示，通过 LCD 的方式让人更直观的观察到此时电路工作的状态 是 哪种，具体的实现电路如 图 所示。 图 液晶 显示电路 黑龙江 工程 学院本科生毕业设计 11 液晶有三个控制端 8 个数据线，三个控制端 RS、 WR 和 E 与单片机的 引脚对接， 8 个数据线 D0D7 与单片机的 引脚对接， 进行数据信息的传输同时单片机可以通过程序软件实现对 液晶的控制， 液晶 的亮度是通过其一个引脚 接 滑动电阻连接电 源 来控制的， 接入 的电阻值越大 液晶 越暗，通常是把电阻值调到最小让液晶处理最亮的状态。 在 液晶 的第一行显示的是 当前 处 于 模式 1 还是模式 2 还是模式3； 第二行显示的是当前所处状态的截止频率 是 50Hz还是 100Hz还是 1KHz。 通常 这样直观的显示可以让使用者感觉更直观，用户体验度更好。 电源 电路设计 本 设计系统中的每一个 电路 模块 都 需要有电源来供电，所以电源 电路 部分 的 设计是不可缺少的， 又 因为电路中的各部分器件所需要的电压有不同 ， 所以需要设计一个能提供多电 压 的 供电 电路，因 为 有 运算放大器的原因， 在 电源电路的设计中还 要 注意要能够提供出负电压，因为运 算放大 器采用的电源是正负电压供电的方式，供电电源电路的设计如图 所 示： D121N4007D71N4007D81N4007D131N4007D21N4007D161N40073300uFC3D31N4007D181N4007123P_IN100uFC1C6C153300uFC13100uFC17100uFC9100uFC16D910kR1Vin1GND2Vout37805U27805GND1Vin2Vout37905U57905GND1Vin2Vout37912U47912Vin1GND2Vout37812U17812C5C11C12C10D41N4007D11N4007D141N4007D111N4007100KR2100KR35V5V12V12V1 23 45 67 89 1011 12P5V123456P5V1 23 45 67 89 1011 12P12V123456P12VGNDGND 图 电源电路 由 图 可以看出 ， P_IN 接变压器的三个输入端，系统 采用的线性电源是将交流电经过变压器降低电压 值 ， 然后 再经过整流电路 得 到的直流电压。 在 电路 中加入了很多的电容进行退耦 来 降低电源的纹波减少干扰，得到带有微 小 波纹电压的电压。 利用78XX 系列来 得到 正负 12V、 正负 5V 供电电压。 本 章小结 本 章是属于硬件电路的设计，主要 介绍 系统 控制核心单片机最小系统的构成和程黑龙江 工程 学院本科生毕业设计 12 控电路环节是如何通过与单片机的配合实现不同截止频率的选择与设计，接着介绍了液晶 显示部分 显示 的工作模式和截止频率数值，最后介绍电路需要的供电电源设计。 黑龙江 工程 学院本科生毕业设计 13 第 4 章 软件设计 第 三章详细介绍了系统设计中用到的硬件部分， 可 以很容易的理解到在整个的系统运行中光有硬件 系统 是不能工作的，还需要相应的软件来进行 控制 ， 在 本设计中用到了 软件 和编译器。 在 本系统设计中 单片机 用到的 语言 是 C 语言 ， 这 种语言的优点是灵活易使用 ， 操作性强 ， 程序表达 简洁 ， 执行效率高 [26]。 设计 采用 Keil uvision4 软件 作 为开 发 工具 ，其 窗口表达十分清晰 ， 同时，软件所带的编译器与调制工具 十分 方便易用并且与设计中所选用的 AT89LV52 单片机 可以很完 美 的结合，为本设计中软件的编写与调试带来了 非常 大的方便。 同 时，软件采用 UART 串口的形式进行程序下载。 在 设计中 对处理 器芯片 进行 程序代码的编写 ， 首先是对芯片进行初始化配置把相应的时钟、复用引脚 、 液晶显示的 程序 等都设置好。 在 按键控制信号 的采集过程中，需要 对输入 信号 进行按键 去抖动程序处理，保证信号输入的准确性避免出现按一次多次响应的错误，在本设计中选用的单片机 要 通过引脚 输出 的高 低电平命令 实现 对模拟开关 CD4051 的 输出通道口的选择。 同 时 单片机需要将 当前滤波电路 的工 作模式及当前截止频率 送 到液晶进行显示。 在 整个的程序设计中主要分为 三 部分的程序流程设计， 他们 分别对应整体设计 程序 流程、 程控 通道程序设计、 按键 去抖动程序设计。 第 一部分的程序设计为总体程序的设计，它 根据 整 个 系统的 贯穿 始终来考虑 ， 基本包括了程序设计中的主要 设计 环节和大体设计思路；第二 部分 的设计为 程 控通道选择程序的设计， 这 部分是很重要的一个功能实现环节，对于 处于 不同截止频率的不同滤波电路主要是通过这一环节实现的，在 这个环节里主要是模拟开关与单片机之间的程序配合；第三部分 按键 去抖动程序的设计， 按键 去抖动是很重要的一部分因为此次设计的程控输入端就是通过按键来操作的，对于按键去抖动有 有 很多的实现方式，分为硬件和软件，在此次设计中采用软件处理的方式，在软件处理的方式 也 可根据实际情况分为比如查询、矩阵键盘的扫描等，。