程控低通濾波器的設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的設計需求， 并 給出了兩種設計方案通過對比最終選擇了方案二， 然后 詳細分析了整個系統的組成單元和每個單元要實現的功能及目的。黑龍江 工程 學院本科生畢業設計 7 第 3 章 硬件設計 在 本 次 的課題 設計 中 最重要的一部分就是 硬件 電路 設計 ， 這 一部分 是 制作實際電路板 必須 要進過的一個環節， 根據對實際 功能 的需求設 計出符合并能實現程控低通濾波器的電路。 在 進行電路設計之前需要先進行截止頻率的計算，然后才能選定好各電子器件數值。 在 整個的 系統設計電路 主要包括 微 控制 器 電路 設計 、 壓 控電壓源二階低通濾波器的設計 、按鍵及液晶顯示電路、系統供電電源電路的設計等， 只 有這些功能電路都成功地實現后 ， 整個系統設計電路才能夠成功實現， 下面將一一介紹。 微 控制器電路設計 微 控制器是整個程控 低通 濾波器中程控部分實現的核心，也是整個系統電路的設計中心控制電路，所以這部分的電路是非常重要的 。根據 硬件模塊的需 求 可知單片機要具備處理 性能 好 、 操作 簡單 等 功能。 本 次設計選 用的是 STC89c52RC 單片機 ，這款 微 控制器有著低電壓、低功耗 、性能 強、數據 處理速度 快等功能強大的優點，可以應用于大多數情況復雜的控制應用電路。 所以 滿 足這款芯片正常穩定工作運行的核心控制硬件模塊為此次設計的第一部分， 控制 電路如 圖 所示 ： 圖 單片機 最小系統 上 圖為單片機的最小系統電路， 由于單片機 內部沒有晶振來提供系統所需時鐘也黑龍江 工程 學院本科生畢業設計 8 沒有復位電路給系統進行復位，所以 由 C C7 兩個 電容 結合 12M 的晶振 組 成 給 單片機 固定 的 節拍 時鐘 ，由按鍵 SWPB 結合 電容 C 電阻 R2 構成 單片機 復位電路， 同 時給單片機的 P0 與 P2 端口外 接 的 上 拉電阻。 此 款單片機的工作電壓為 ~，內部 Flash 為 8K、 RAM 為 512 字節 。在 對 芯片進行程序下載時可以利用串口直接下載電路需要的程序。 這 部分的設計主要要考慮到單片機的性能，所 擁 有的 I/O 引腳是否夠此次設計的使用 ， 因為在此次設計中要使用到三個按鍵、三個模擬 開關 的控制端 、 十個左右的液晶顯示端和 單片機 最小 系統 需要的晶振 、 復位按鍵等。單片機 要 有很好地反應速度和處理能力，它要實現液晶電路的顯示、輸入按鍵的信號處理和對模擬開關的 輸出 通道模式 選擇。 微 控 制器作為系統的控制核心，其性能對系統完成后的整體性能影響很大，所以選擇一個合適的微控制器是設計成功的基礎。 低通濾波 電路 設計 理想的低通濾波器應該能使所有低于截止頻率的信號無損通過，而所有高于截止頻率的信號都應該被無限的衰減。本次設計 我選擇了 二階 sallenkey 低通 濾波器，如圖 所示 ： 圖 二階 sallenkey 低通濾波器電路圖 有源二階低通濾波器的傳遞函數為： 222)(cccvsQsAsA?????? () 濾波器的性能參數表達式為： 21211 CCRRc ?? () 2222211)1(11 CRACRCRQ vC ????? () 黑龍江 工程 學院本科生畢業設計 9 增益為 ： 01 RRA fv ?? () 在這里我讓放大倍數 Av =1，即 R0 開路， Rf 短路，此時， Q=。 本設計的截止頻率分別是 50Hz、 100Hz和 1KHz。為了減少模擬開關的個數，本次設計我取電阻不變，只改變電容值的做法，取電阻 R1=R2=10KΩ，則根據公式： C1=2C2， RCf ?2/1?計算求得：當 C1=300nF、 C2=150nF 接入電路時，截止頻率為 50Hz；當 C1=110nF，C2=51nF 接入電路時， 截止頻率為 100Hz；當 C1=15nF， C2= 接入電路時，截止頻率為 1000Hz。即整個程控濾波器可分為三個檔位，通過 對不同的電 容 的切換 ， 進而切換出巴特沃斯濾波器 ， 而改變電容這個過程則需要控制芯片和模擬開關共同作用方可完成。 在 此次的課題設計中實現不同截止頻率選擇的功能 電路是 由 CD4051 模擬 開關去控制的，在這個電路環節中模擬開關和電壓跟隨器、運放共同組成了 二 階低通 濾波 電路的設計。 這 部分可以說是整個系統電路的核心 組成 ，它的性能直接決定了電路的技術指標 ， 所以它的設計是非常重要的，具體的原理圖如 圖 示 ： 圖 程控濾波模塊 原理圖 從 上面的原理圖可以看出， 信號 首先進入電壓跟隨器， 此次 設計用到的電壓跟隨器 是 由運放 LM358 構成信號 由 IN 接入 運放的正相端，然后運放的輸出端接入運放的負相端實現運放的一個負反饋，接下來是進入 由 電阻、電容、運放構成的 有 源二階 低通 濾波器，首先進過電阻 然后并聯 到一個電容接地， 接 入運放 LM358 的 正 相 接入端 。接 下來 電阻 再通過一個并 聯 電容直接 接入 到運放輸出端形成一個正反饋電路 ， 這樣形成回路后將信號輸出至 電壓 跟隨器然后在 OUT 處接入示波器觀察濾波器處理后的信號波形。 黑龍江 工程 學院本科生畢業設計 10 在 圖 中可以發現 ， 截止頻率的不同 數值 實現 是 通過接入兩個不同 的 電容值形成不同的濾波電路去實現的。在 這 里就需要進行不同電容值之間的正確切換，所 以就需要用到模擬開關去實現這個要求 ， 在本次的系統設計中選用的模擬開關是 CD4051它 有著使用簡單功能強大反應迅速 等特點。首先 在單片機的 端口 處選擇三個引腳 作 為控制端的輸出命令信號，然后將三個引腳分別對接模擬開關的通道選擇端 A、 B、 C三 個引腳， 模擬 開關 擁 有 1 個 輸入口， 8 個輸出 通道的選擇 。 在 具體 的工作實現中是通過輸出高低電平給 A、 B、 C 然后 選擇對應的通道，例如輸入 三 個 000 低 電平就會選擇輸出通道 0， 輸入 001 兩 低一高電平就會選擇輸出通道 1。通過 這樣方式就可以接入不同的電容值 [12]， 例如 電路 設計是產生截止頻率為 50Hz 的低通濾波器， 按下按鍵 0，給 運放接正負兩個電源供電，各電阻電容值 分別 為： R1=R2=10KΩ， C1=300nF， C4=150nF；電路 設計是產生截止頻率為 100Hz 的低通濾波器， 按下按鍵 1， 給 運放接正負兩個電源供電，各電阻電容值 分別 為： R1=R2=10KΩ， C2=110nF， C5=51nF；電路 設計是產生截止頻率為 1KHz的低通濾波器， 按下按鍵 2， ,給 運放接正負兩個電源供電，各電阻電容值 分別 為： R1=R2=10KΩ， C3=15nF， C6=。 顯示 控制電路設計 在 整個 選擇截止頻率不同的 濾波電路時是通過按鍵實現的，但 在 實際應用中有一個不方便的地方就是按鍵給工作人員帶來的感覺不直觀，不能讓 使用 者一看就明白此時電路 處于 哪個模式、截止頻率為多少。基于 這 種現實考慮系統決定引入液晶顯示，通過 LCD 的方式讓人更直觀的觀察到此時電路工作的狀態 是 哪種，具體的實現電路如 圖 所示 。 圖 液晶 顯示電路 黑龍江 工程 學院本科生畢業設計 11 液晶有三個控制端 8 個數據線，三個控制端 RS、 WR 和 E 與單片機的 引腳對接， 8 個數據線 D0D7 與單片機的 引腳對接， 進行數據信息的傳輸同時單片機可以通過程序軟件實現對 液晶的控制， 液晶 的亮度是通過其一個引腳 接 滑動電阻連接電 源 來控制的， 接入 的電阻值越大 液晶 越暗，通常是把電阻值調到最小讓液晶處理最亮的狀態。在 液晶 的第一行顯示的是 當前 處 于 模式 1 還是模式 2 還是模式3； 第二行顯示的是當前所處狀態的截止頻率 是 50Hz還是 100Hz還是 1KHz。通常 這樣直觀的顯示可以讓使用者感覺更直觀，用戶體驗度更好。 電源 電路設計 本 設計系統中的每一個 電路 模塊 都 需要有電源來供電，所以電源 電路 部分 的 設計是不可缺少的， 又 因為電路中的各部分器件所需要的電壓有不同 ， 所以需要設計一個能提供多電 壓 的 供電 電路，因 為 有 運算放大器的原因， 在 電源電路的設計中還 要 注意要能夠提供出負電壓，因為運 算放大 器采用的電源是正負電壓供電的方式，供電電源電路的設計如圖 所 示： D121N4007D71N4007D81N4007D131N4007D21N4007D161N40073300uFC3D31N4007D181N4007123P_IN100uFC1C6C153300uFC13100uFC17100uFC9100uFC16D910kR1Vin1GND2Vout37805U27805GND1Vin2Vout37905U57905GND1Vin2Vout37912U47912Vin1GND2Vout37812U17812C5C11C12C10D41N4007D11N4007D141N4007D111N4007100KR2100KR35V5V12V12V1 23 45 67 89 1011 12P5V123456P5V1 23 45 67 89 1011 12P12V123456P12VGNDGND 圖 電源電路 由 圖 可以看出 ， P_IN 接變壓器的三個輸入端，系統 采用的線性電源是將交流電經過變壓器降低電壓 值 ， 然后 再經過整流電路 得 到的直流電壓。在 電路 中加入了很多的電容進行退耦 來 降低電源的紋波減少干擾，得到帶有微 小 波紋電壓的電壓。 利用78XX 系列來 得到 正負 12V、 正負 5V 供電電壓。 本 章小結 本 章是屬于硬件電路的設計，主要 介紹 系統 控制核心單片機最小系統的構成和程黑龍江 工程 學院本科生畢業設計 12 控電路環節是如何通過與單片機的配合實現不同截止頻率的選擇與設計，接著介紹了液晶 顯示部分 顯示 的工作模式和截止頻率數值，最后介紹電路需要的供電電源設計。 黑龍江 工程 學院本科生畢業設計 13 第 4 章 軟件設計 第 三章詳細介紹了系統設計中用到的硬件部分， 可 以很容易的理解到在整個的系統運行中光有硬件 系統 是不能工作的，還需要相應的軟件來進行 控制 ， 在 本設計中用到了 軟件 和編譯器。 在 本系統設計中 單片機 用到的 語言 是 C 語言 ， 這 種語言的優點是靈活易使用 ， 操作性強 ， 程序表達 簡潔 ， 執行效率高 [26]。 設計 采用 Keil uvision4 軟件 作 為開 發 工具 ，其 窗口表達十分清晰 ， 同時，軟件所帶的編譯器與調制工具 十分 方便易用并且與設計中所選用的 AT89LV52 單片機 可以很完 美 的結合，為本設計中軟件的編寫與調試帶來了 非常 大的方便。 同 時，軟件采用 UART 串口的形式進行程序下載。 在 設計中 對處理 器芯片 進行 程序代碼的編寫 ， 首先是對芯片進行初始化配置把相應的時鐘、復用引腳 、 液晶顯示的 程序 等都設置好。在 按鍵控制信號 的采集過程中，需要 對輸入 信號 進行按鍵 去抖動程序處理，保證信號輸入的準確性避免出現按一次多次響應的錯誤，在本設計中選用的單片機 要 通過引腳 輸出 的高 低電平命令 實現 對模擬開關 CD4051 的 輸出通道口的選擇。 同 時 單片機需要將 當前濾波電路 的工 作模式及當前截止頻率 送 到液晶進行顯示。 在 整個的程序設計中主要分為 三 部分的程序流程設計， 他們 分別對應整體設計 程序 流程、 程控 通道程序設計、 按鍵 去抖動程序設計。 第 一部分的程序設計為總體程序的設計，它 根據 整 個 系統的 貫穿 始終來考慮 ， 基本包括了程序設計中的主要 設計 環節和大體設計思路；第二 部分 的設計為 程 控通道選擇程序的設計， 這 部分是很重要的一個功能實現環節，對于 處于 不同截止頻率的不同濾波電路主要是通過這一環節實現的，在 這個環節里主要是模擬開關與單片機之間的程序配合；第三部分 按鍵 去抖動程序的設計， 按鍵 去抖動是很重要的一部分因為此次設計的程控輸入端就是通過按鍵來操作的，對于按鍵去抖動有 有 很多的實現方式，分為硬件和軟件，在此次設計中采用軟件處理的方式，在軟件處理的方式 也 可根據實際情況分為比如查詢、矩陣鍵盤的掃描等，