程控低通滤波器

程控低通滤波器
滕木（2011110111）陆和亮（2010800631）王锐英（2011110132）袁彦凯（2011110144）设计任务:
（1）设计程控低通滤波器，截止频率等参数可设置。

（2）滤波器-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, R L=1k 。

（3）电压增益与截止频率的误差均不大于10%
滤波器理论分析
本次任务设计的是低通程控滤波器。

集总低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础，各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性推导出来的。

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，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也称为矩形滤波器（brick-wallfilter）。

理想二阶有源低通滤波器电路图入下：
二阶低通RC 滤波器的传输函数为
222s c c c V w s Q w s w A A ++=）（。

这里选择电压控制电压源（VCVS ）电路，其中运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低。

其优点是电路性能稳定，增益容易调节。

滤波器性能参数表达式为：
12121
w CC R R c =
12211)1(11C R A C R C R Q w V c -++=
34
1R R A V +=
在这里我让放大倍数A v =1,即R 3开路，R 4短路，此时Q=0.707。

设计截止频率分别是1kHz ～20kHz ，频率步进为1kHz 。

利用开关电容技术，利用开关和电容的组合来替代电阻，电容值保持不变，我们只要控制开关的频率，就可以等效的改变电阻，完成对滤波器截止频率的设置。

采用RC 结构的二阶滤波电路。

低通滤波时：根据二阶的低通滤波函数，在大于截止频率fc 时，幅频特性曲线以40/10f 速度下降，所以在2 fc 处的增益为-12.04dB 。

再加上放大器的40dB 增益，总增益为27.96dB ，达到了题目小于30 dB 的要求。

高通滤波时：根据二阶的高通滤波函数，在小于截止频率fc 时，幅频特性曲线以40/10f 速度上升，所以在0.5 fc 处的增益为-12.04dB 。

再加上放大器的40 dB 增益，总增益为27.96dB ，也达到了题目小于30 dB 的要求。

在电阻的选取上，我们采取了开关电容取代电阻的方案。

基本开关电容单元的原理图，如下：
开关S1，S2采用通段受方波信号控制的模拟开关，当¢为高电平时开关S1闭合，当¢为低电平时S1开通。

S2的开通关断情况与S1相反。

基本开关电容单元可以等效为一个电阻。

而且方波信号的频率与信号频率的比值越大，这种近似性越好。

芯片选择
主控芯片：
本次设计所需的控制器只需进行很简单的程序控制模拟开关从而实现滤波器的档位程控操作，因而不需要控制器拥有过多的扩展和其他的高级功能，因此主控芯片采用经典的AT89S52单片机完全足够。

该芯片有40个引脚，4个P口，2个定时器，2个外部中断，并且通过扩展能与PC机进行串口交流。

此控制芯片价格便宜，性能优越，用于本次设计非常适合，同时还拥有很强的扩展能力，经过一定的外部扩展，此芯片能实现的功能非常强大。

因此主控芯片采用51系列单片机极其构成的最小系统。

模拟开关芯片：
对滤波器的分析得知，要对滤波器截止频率进行改变有多种方法。

常见的是改变电容值或是改变电阻值从而使滤波器截止频率发生变化。

本次设计采用单方面改变电阻从而实现设计要求。

由理论公式可知改变两个电组的值即可有效改变截止频率。

而设计要求需要进行程序控制，那么可以采用程控电子开关在主控芯片的逻辑控制下改变电路通道从而为滤波器选择合适电阻，达到程控的目的。

对于模拟开关，本设计采用CD4052双4通道模拟多路复用器。

其引脚图及逻辑图如下所示：
INH角是使能端，低电平有效，可采用直接接地，而A,B两口是程控选择端口，通过单片机可对A,B两口进行控制，从而根据需要将X0与X、Y0与Y，或X1与X、或Y1与Y导通，导通方式如上图所见。

放大器集成芯片：
本次设计滤波器所需放大器选择的是OP07低噪声，非斩波稳零
的双极性运算放大器集成芯片。

OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

当然该芯片的高性能也特别适合于本次滤波器的设计，其引脚图如下：
OP07芯片引脚功能如下，1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS 最大额定值
原理图：
以下是各模块原理图介绍
1、主控单片机最小系统模块
图1 单片机最小系统
如图1所示，IN_1和IN_2分别是对模拟开关A、B的控制端，单片机通过对此两个I/O口的电位控制实现模拟开关的通道选择。

P1和P2是单片机对LCD1602的控制口，其中P1为数据端，P2为地址总线。

另外P3.2和P3.4与PS2键盘口相连，实现与键盘的信息互通。

另外最小系统包括电源指示灯D1，晶振Y0和复位开关S0。

2、模拟开关模块：
模拟开关直接与电阻和滤波器相连，实现对滤波器截止频率的控制。

3、滤波器模块：
图3 滤波器
如图3所示，Vin与V out分别是信号的输入与输出端，R22、R21、R12、R11端分别与图2中电阻对对应端相连，由此一来则实现整个滤波的过程。

电源正负5伏出均有0.1uF电容滤去杂波。

4、LDC1602与PS2接口模块：
图4 LDC1602与PS2接口
5. 接口电路：
图5 接口电路
如图5所示，此电路模块为系统的接口模块，中间部分为电路去耦模块，分别采用3个0.1uF电容并联去耦。

左边为电源插口，同时附有对电源滤杂波的电容部分，右边为信号输入与输出接口部分。