程控滤波器.(DOC)

程控滤波器
一、任务
设计并制作程控滤波器，其组成如图1所示。

放大器增益可设置；低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。

图1程控滤波器组成框图
二、要求
1. 基本要求
（1）放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通频带为100Hz～40kHz，放大器输出
电压无明显失真。

（2）滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率f c在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2f c处放大器与
滤波器的总电压增益不大于30dB, R L=1kΩ。

（3）滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率f c在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5f c处放大器
与滤波器的总电压增益不大于30dB, R L=1kΩ。

（4）电压增益与截止频率的误差均不大于10%。

（5）有设置参数显示功能。

2. 发挥部分
（1）放大器电压增益为60dB，输入信号电压振幅为10mV；增益10dB步进可调，电压增益误差不大于5%。

（2）制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压
增益小于5dB，-3dB通带误差不大于5%。

（3）制作一个简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号的频率变化范围是100Hz～200kHz，频率步进10kHz。

（4）其他。

摘要：本系统以MP430G2553单片机为控制核心，实现程控滤波的功能。

前端放大器由运放和数字电位器构成，实现了增益0—40dB，步进10dB 可调。

滤波器采用程控数字电位器的技术，构成RC有源滤波网络，实现了程控高通、低通滤波截止频率1KHz—20KHz，步进1KHz可调。

设人机接口采用4×1键盘及LCD液晶显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。

关键词：程控滤波MSP430G2553 数字电位器
本系统以MSP430G2553单片机为控制核心，利用开关电容技术实现程控滤波的功能。

前端放大器由运放和数字电位器构成，实现了增益0—40dB，步进10dB可调。

1.方案论证
根据题目要求，我们分以下三部分进行方案设计与论证
1、主控单元
方案一：采用80C51系列单片机，虽然我们对其比较熟悉，能够熟练的对它进行编程运用，但是它不是TI公司的产品。

方案二：采用MSP430G2553单片机。

它中断资源丰富，而且内置了在线仿真、编程接口，可方便地实现在线调试。

经过比较后采用方案二。

2 、放大器部分
程控放大器的增益，一般有两种途径，一种是改变反相端的输入电阻，另一种是改变负反馈电阻阻值。

方案一：采用模拟开关或继电器作为开关，构成梯形电阻网络，单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而改变放大器的增益。

此方案的优点在于简单，缺点是电阻网络的匹配难以实现，调试很困难。

方案二：用DAC的电阻网络，改变电阻的方法，电流输出型DAC内含R-2R电阻网络，可以作为运放的反馈电阻或输入电阻，在DAC输入数据的控制下，实现放大器增益的程控改变。

该方案的优点无需外接精密电阻，增益完全由输入的数字量决定，就可以对信号进行放大或衰减，使用方便；缺点是信噪比较低，通频带较窄。

方案三：非易失性数字电位器改变电阻，克服了模拟电位器的主要缺点，无噪声，寿命长，阻值可程控改变，设定阻值掉电记忆。

该方案优点是增益范围宽，占用μP口少，成本低。

通频带取决于运放的通频带。

方案四：直接用运放构成放大电路，通过按键选择不同的电阻阻值，以实现步进可调的放大功能。

在本题中，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通频带为
100Hz～40kHz，放大器输出电压无明显失真。

我们选择方案四，方案四结构简单，可操作性强，失真较小，原理简单。

3、滤波器部分
方案一：采用模拟开关或继电器作为开关，切换不同的RC组合来改变截止频率，优点是电路简单，缺点是电阻网络的匹配难以实现，调试很困难适合截止频率调节档位较少的滤波器。

方案二：固定电容C，采用非易失性数字电位器改变电阻的数值，从而改变截止频率。

优点是电路简单，缺点数字电位器是分档调节，不能实现电阻的连续可调。

根据题目要求低通滤波器在2fc处，高通滤波器在0.5fc处，放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB，我们选用四阶电压控制滤波器。

在此我们选择方案二，我们可以通过改变RC电路的中C来匹配数字电位器，且数字电位器是由单片机来控制，可操作性强，技术先进，完成后的成品操作简单，高度智能。

2.系统硬件设计
2.1系统的总体设计框图
图2程控滤波器结构框图
本系统以MSP430G2553单片机作为主控单元，将设计任务分为放大器，低通滤波器，高通滤波器，人机接口单元等功能模块。

放大器用LM324和不同电阻组成的放大电路构成。

我们通过选择按键来控制放大器放大倍数。

滤波器在单片机控制信号作用下在低通，高通，两种工作方式的切换。

低通和高通滤波电路采用数字电位器，电容和运算放大器组成，单片机通过控制数字电位器接入电路的阻值，来实现截止频率的调节。

本系统还设计了良好的人际交互接口，实现了键盘处理，液晶显示等功能。

2、2单元模块设计
（1）放大器模块设计
放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，对于毫伏级的信号放大一般要采用具有高共模抑制比、高精度、高输入阻抗的测量放大器。

放大器电路采用LM324和不同的电阻组成。

经过组合步进达到10DB的要求，所以放大倍数也被控制在一个很精确的范围。

电阻的阻值与DB的对应关系：
从上到下对应的分贝是0db、10db、20db、30db、40db
2.2.1放大器电路设计
我们采用两级级放大，具体电路图如图2.2：
（2）滤波器模块设计
2.2.2 滤波器电路设计
现以低通滤波电路设计为例说明。

对于四阶低通滤波电路，
图2.3
由于在本次题目中我们用到了较高的20KHZ的频率，故此，我们采用了四阶的滤波器来完成滤波，四阶滤波器能在截止频率附近较好的完成滤波，其滤波曲线也能满足题目所给的其-3DB截至频率在1K--20K可调，2FC出放大器与滤波器的总电压增益不大于30DB的要求。

我们采用的是RC结构的四阶滤波电路。

低通滤波时：根据四阶的低通滤波函数，在大于截止频率f c 时，幅频特性曲线以40/10f速度下降，所以在2 f c 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：根据四阶的高通滤波函数，在小于截止频率f c时，幅频特性曲线以40/10f速度上升，所以在0.5 f c 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，我们采取了数字电位器取代电阻的方案。

通过调整数字电位器的阻值来改变其截至频率，其原理图如下：
在这里我们采用单刀双掷开关选择高通滤波还是低通滤波，经过测试发现，低通滤波和高通滤波都能很好的完成它的作用。

3、显示模块设计：
我们采用TI公司的MSP430g2553单片机开发板，用数字电位器实现步进可调，用1602液晶显示屏显示出设置的参数：
在确立程序流程之后，下一步工作就是分析采用怎样的编程方式来实现，我考虑到程序的复杂性，在这里采用C来编程，将显示部分，频率选择和工作方式转换等都编成子程序，我们在主程序中直接调用，这样会使程序看起来直观和明白。

总体电路图：
五、设计验证及测试方法
1.放大器测试方法：
放大器输入端输入峰值为10mV的正弦信号，将放大器增益设置为40dB，从100Hz开始增大输入信号的频率，用示波器测试放大器的通频带。

然后将输入信号的频率分别固定为100Hz、1kHz、40kHz，预置放大器增益，用低频毫伏表测试其实际增益，计算增益误差，并检验增益步进。

2.滤波器测试方法：
将放大器增益设置为40dB，滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器的截止频率，用低频毫伏表和示波器测试其实际截止频率，计算相对误差，并检测截止频率步进和2c f处的电压总增益。

高通滤波器的测试方法同上。

椭圆滤波器的测试，将放大器的增益设置为40dB，用示波器测量其通带起伏，-3dB截止频率和200KHz的总电压增益。

程序：
#include <msp430g2553.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define RS_HIGH P2OUT|=BIT0
#define RS_LOW P2OUT&=~BIT0
#define RW_HIGH P2OUT|=BIT1
#define RW_LOW P2OUT&=~BIT1
#define E_HIGH P2OUT|=BIT2
#define E_LOW P2OUT&=~BIT2
#define BUSY_OUT P1DIR|=BIT7
#define BUSY_IN P1DIR&=~BIT7
#define BUSY_DATA P1IN&BIT7
uchar Data1[16]={"The gain is:0 db"}; uchar Data2[16]={"The gain is:10db"}; uchar Data3[16]={"The gain is:20db"}; uchar Data4[16]={"The gain is:30db"}; uchar Data5[16]={"The gain is:40db"}; uchar Data6[16]={"cheng kong FIR "};
void DelayMS(uint ms)
{
uint i;
while(ms--){
for(i=0; i<800;i++);
}
}
void LcdBusy(void)
{
RS_LOW;
RW_HIGH;
E_HIGH;
_NOP();_NOP();
BUSY_IN;
while(BUSY_DATA);
BUSY_OUT;
E_LOW;
}
void WriteCommand(uchar Command) {
LcdBusy();
RS_LOW;
RW_LOW;
E_HIGH;
_NOP();_NOP();
P1OUT=Command;
_NOP();_NOP();
E_LOW;
}
void WriteData(uchar Data)
{
LcdBusy();
RS_HIGH;
RW_LOW;
E_HIGH;
_NOP();_NOP();
P1OUT=Data;
_NOP();_NOP();
E_LOW;
}
void LcdInit(void)
{
WriteCommand(0x38);
DelayMS(5);
WriteCommand(0x0c);
DelayMS(5);
WriteCommand(0x06);
DelayMS(5);
WriteCommand(0x01);
DelayMS(5);
}
void InitPort(void)
{
P1SEL=0x00;
P1DIR=0xFF;
P2DIR=0x07;
}
void display_xy(unsigned char x,unsigned char y) {
if(y==0x01)
{
x = x + 0x40 + 0x80; }
else
{
x = x+0x80;
}
WriteCommand(x);
}
void Disp1Char(uchar x,uchar y,uchar data)
{
display_xy(x,y);
WriteData(data);
}
void Ioinit(void);
int i;
int main(void)
{
int data1,data2,data3,data4,data5;
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
InitPort();
LcdInit();
P2DIR &=~BIT3;
P2REN |=BIT3;
P2DIR &=~BIT4;
P2REN |=BIT4;
P2DIR &=~BIT5;
P2REN |=BIT5;
P2DIR &=~BIT6;
P2REN |=BIT6;
P2DIR &=~BIT7;
P2REN |=BIT7;
while(1)
{
data1=P2IN&BIT3;
data2=P2IN&BIT4;
data3=P2IN&BIT5;
data4=P2IN&BIT6;
data5=P2IN&BIT7;
if(data1==0)
{
WriteCommand(0x80);
for(i=0;i<16;i++) WriteData(Data3[i]);
DelayMS(50);
}
if(data2==0)
{
WriteCommand(0x80);
for(i=0;i<16;i++) WriteData(Data4[i]);
DelayMS(50);
}
if(data3==0)
{
WriteCommand(0x80);
for(i=0;i<16;i++) WriteData(Data5[i]);
DelayMS(50);
}
if((data1!=0)&&(data2!=0)&&(data3!=0))
{
WriteCommand(0x80);
for(i=0;i<16;i++) WriteData(Data6[i]);
DelayMS(15);
}
}
}
void Ioinit(void)
{
P2DIR&=~(BIT4+BIT3+BIT5+BIT6+BIT7);
P2IES &=~(BIT4+BIT3+BIT5+BIT6+BIT7);
P2IE|=(BIT4+BIT3+BIT5+BIT6+BIT7);
_EINT();
}
总结
本电路的硬件设计较为复杂，但是控制手段很多，在采用MSP430g2553芯片时节省了单片机的并口资源，这是值得肯定的一点，信号输入和输出的环节，均采用运算放大电路，好处是可以将弱信号放大处理，但是这个环节中，可能会引入干扰信号，如果干扰信号被足够放大，那么有用的信号就会被严重的破坏掉，所以应该将放大电路的放大比例适当的限制在一定的范围，以防出现截止和饱和失真。

由于电路处理的是一些高频信号，所以要求电路的供电电源要稳定，本设计采用LM324芯片，可以达到要求电压的准确和稳定。

参考文献
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