设计一个程控低通滤波器设计

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一种程控滤波器的设计
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管理员:&人数:3895小组积分:48982简介:C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片,具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核,采用流水线结构,单周期指令运行速度是8051的12倍,全指令集运行速度是原来的9.5倍。熟悉NCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软件的移植。但是不能将8051的程序完全照搬的应用于C8051F单片机中,这是因为两者的内部资源存在较大的差异,必须经过加工才能予以使用。其中C以其功能较全面,应用较广泛的特点成为C8051F的代表性产品,其性能价格比在目前应用领域也极具竞争力。C的内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、I/O口、定时/计数器、ADC、DAC、PCA、SPI和SMBus等部件,即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上,构成一个完整的片上系统(SoC)。小组公告小组暂无公告.&&|&&&&|&&
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楼主&&[其他]&
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发表于 12:49
要的留EMAIL/
sdjntl 编辑于 01:19
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发表于 00:55
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发表于 21:31
谢啦!!!!
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发表于 10:46
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发表于 22:11
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发表于 23:41
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发表于 19:59
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发表于 11:43
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发表于 20:25
兄弟 麻烦了
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非常感谢!!albertsunfox@emails.
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发表于 11:25
非常感谢,&
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京ICP备号-1 |
京公网安备37 |低通滤波电路模块设计 - 解读FPGA设计程控滤波器系统电路
日 10:03 来源:互联网 作者:秩名 (0)
  低通滤波模块
  用($4.9082) 实现低通滤波器。开关电容滤波器($4.9082) 可以设置为8 阶低通椭圆滤波器,阻带衰减为-80dB,时钟频率与通带频率之比为50:1。通过改变CLK的频率,即可满足滤波器-3 dB 截止频率在1~20kHz 范围内可调,步进1 kHz的要求。
  在使用($4.9082) 时要注意的是,当信号频率和采样辨率同频,开关电容组在电容上各次采到相同的幅度为信号幅值的信号,相当于输入信号为直流的情况,使滤波器输出一个直流电平。同理,当信号频率为采样频率的整数倍时,也会出现相同的现象。为此,在其前面,要增加模拟低通滤波器,把采样频率及其以上的高频信号有效地排除。故又用一级($4.9082),截止频率设置为50kHz。其中时钟频率设置为2.5 MHz。在其后面,也要增加低通滤波器,其截止频率为150kHz,以滤去信号的高频分量,使波形更加平滑。具体电路如图4 所示。
  四阶椭圆低通模块
  系统要求制作一个四阶椭圆型低通滤波器,带内起伏&1 dB,-3 dB 通带为50kHz,采用无源LC 椭圆低通滤波器来实现。用Filter Sol ution 模拟仿真滤波器,随后在Multisim 中再模拟仿真并调整电容、电感的参数使其为标称值。此外,在椭圆滤波器前后接射级跟随器避免前后级影岣。具体电路如图5 所示。
  本系统放大器增益范围10~60 dB,通频带1~200 kHz,增益误差小于1%。滤波器截止频率范围1~30kHz,误差小于1.5%。椭圆滤波器截止频率误差为0,在150 kHz 处幅度几乎衰减到0。误差主要来源于时钟频率,当截止频率为20 kHz的时候,所需最高的时钟频率为2MHz,不能保证很好的时钟沿,而且时钟频率也不可能精确地控制,以及放大器的非线性误差。此外,利用($0.5425) 和有效值检波电路实现了幅频特性测试仪,系统整体性能良好。整个系统在单片机和FPGA 的有机结合、协同控制下,工作稳定,测量精度高,人机交互灵活。
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创新实用技术专题
从2015 CES上可以看出汽车正在向智能化,无人驾驶化发展...程控滤波器
本系统以凌阳16位单片机为控制核心,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----------—60dB,步进10dB可调。
  程控滤波器
青岛大学&&&&&&&& 王小猛 安中鹏 杨瑶瑶
摘要:160&&&&&&&&&&&60dB10dBRC、1KHz&20KHz1KHzDirect Digital synthesizerAD9850100Hz200KHz10 KHz4&4LCD
关键词: 16& & &&&
1.方案论证
&经过仔细研究分析,我们认为系统的结构框图1.1如下所示:
根据题目要求,我们分以下三部分进行方案设计与论证
1.1主控单元
方案一:采用80C51系列单片机,但其与外围设备的接口电路较为复杂。
方案二:采用凌阳SPCE061A单片机。它中断资源丰富,而且
1.2 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&P口少,成本低。通频带取决于运放的通频带。
在本题中,电压增益为40dB10dB100Hz40kHz由于输入信号幅值很小,所以我们选用高精度的测量放大器AD620。
我们采用方案三,非易失性数字电位器与电压增益为60dB10dB100Hz40kHz
1.2& 滤波器部分
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,我们选用二阶电压控制滤波器。
二阶电压控制滤波器改变截止频率有以下方案
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,很难实现截止频率的精确调节。
&方案三: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。对于具体分析方法在后面有详细叙述。
我们选择方案三,当前较先进的技术,并且已经有了成熟的产品,例如max260可编程滤波器
&&& 1.2方案论证
(1)放大器方案论证
10mV放大器电路采用AD620和数字电位器组成。数字电位器使用的是X9241MAPI,它把0-2K,0-10K,0-10K,0-50K四个可调电阻集成在一个单片的CMOS微电路中的数控电位器,步进分别为34&O,170&O,170&O,850&O,经过组合步进更小,所以放大倍数也被控制在一个很精确的范围。
(2)滤波器方案论证
我们采用的是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。在时钟周期Tc内,从1端向2端传输的电荷量为: 。
而电流为:
可见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。
2.系统硬件设计
2.1系统的总体设计
图2.1程控滤波器结构框图
本系统以凌阳61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,椭圆滤波器,人机接口单元等功能模块。
放大器用AD620和数字电位器组成的放大电路两级串联构成。单片机通过控制数字电位器的阻值大小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,椭圆三种工作方式的切换。低通和高通滤波电路采用模拟开关,电容和运算放大器组成,单片机通过控制模拟开关的通断频率,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,语音报数等功能。
2.2单元电路的设计
2.2.1放大器电路设计
&& 由于运算放大器在高频时,其带宽下降,放大倍数减小,因此我们采用两级放大,具体电路图如图2.2:
2.2.2 滤波器电路设计
&& 现以低通滤波电路设计为例说明。对于二阶低通滤波电路,
传递函数为:
为了在截止频率附近有较平坦的幅频特性曲线,令Q=0.707,可求出 ,又因为 ,因此 。
由对偶原理可知,二阶高通电路中 。
用开关电容原理等效后的电路图为:
由前面分析可知
又由开关电容原理 ,
因此,在 与 的比值固定时,开关频 与截止频率 成正比,因此可用开关频率 控制截止频率 的大小。
根据题目要求,截止频率 的步进为
因为,&&&&&&
所以,&&&&&&
当截止频率 时,开关频率 ;
当截止频率 时,开关频率 ;
同理,二阶高通滤波器电路进行开关电容等效后,开关频率 可以控制截止频率 的大小。开关频率的大小所对应的截止频率与低通时一样,方便了系统设计和程序的编写。
2.3发挥部分的设计与实现
160dB10mV10dB2%
2&1dB-3dB50kHz200kHz5dB-3dB5%
VCVSMATLAB
VCVS& 1 ,-3 50 MATLAB ,
MATLAB ellip
&[B,A]ellip(N, , , ,&S&);%B A
&z=roots(B);&&&&&&&&&&&&&&&&
&p=roots(A)&&&&&&&&&&&&&&&& %
,& , ,& , ,
&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&& 218&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&0.01
&&&&&&&&&&&&&&& 218&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&0.018uF
&&&&&&&&&&&&&&& 109&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&5000pF
&&&&&&&&&&&&&&& 5039&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&5000pF
&&&&&&&&&&&&&& &&&&&
&&&&&&&&&&&&&& 5100
&&&&&&&&&&&&&& 20910
&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& C&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&& 2813.5&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&330p
&&&&&&&&&&&&&& 2813.5&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&9.173nF
&&&&&&&&&&&&&& 1406.8&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&0.165nF
&&&&&&&&&&&&&& 56827&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&0.165nF
&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&& &&&&&&&5100
&&&&&&&&&&&&& 247093
3100Hz200kHz10kHz
幅频特性测试仪结构框图
&&& 简易幅频特性测试仪是以Spce61DDS输出电压峰值保持不变得正弦波扫频信号,由单片机改变扫频信号的频率从100Hz到200kHz,以10kHz步进,从然后测出对应的输出信号峰值。经峰值检测将交流信号峰值转化为直流信号。被单片机经A/D转化后读取。单片机将输入信号频率大小和输出峰值存储在RAM中。从最小频率扫描到最大频率后,根据采集数据计算出幅频特性曲线显示在液晶屏上。
扫频信号由DDS芯片AD9850产生。幅频特性测试仪的频率稳定度取决于外接晶振的稳定度。选取50MHz的晶振,可以实现0.01Hz-12.5MHz连续扫频,而题目要求的是100Hz -200 KHz,所以它足以满足要求。DDS技术是开环控制,频率调节速度仅受限于逻辑门的延迟,速度高于PLL频率合成技术几个数量级。所以DDS合成速度快,频率分辨率高,并且线路简单。
由于采样点只有21个,对AD转化的速度要求不高。我们选用TLC2543,它是12位分辨率A/D转化器,在温度范围内10&s转换时间,线性误差&1LSB Max,足以满足要求。
3系统的测试
由于篇幅所限在此仅列出几个关键点的测试结果
测试条件:Uipp=10mv,测试仪器:信号源采用F40,示波器
放大器性能测试
经过对测试数据分析得出结论:放大器部分电压增益60dB,增益10DB步进可调,通频带超过了40KHz,电压增益误差在2%以内,放大器部分不仅完成了题目的基本要求,并且完成了发挥部分的要求。
低通滤波器性能测试
测试条件:Uipp=10mv,测试仪器:信号源采用F40,示波器& 放大器增益40DB
经过对测试数据分析得出结论:低通滤波器截止频率1kHz步进可调,通带性能良好,截止频率误差为 6% ,完成了题目的要求。
高通滤波器性能测试
测试条件:Uipp=10mv,测试仪器:信号源采用F40,示波器& 放大器增益40DB
经过对测试数据分析得出结论:高通滤波器截止频率1kHz步进可调,通带性能良好,截止频率误差为&& % ,完成了题目的要求。
椭圆低通滤波器性能测试
用幅频特性测试仪测试,幅频特性与四阶低通椭圆滤波器理论幅频特性形状基本相同。-3dB处通带为48kHz,误差为4%,小于题目要求,输入信号频率200kHz处电压增益为2dB,经过对测试数据分析得出结论:完成了发挥部分四阶低通椭圆滤波器题目的要求。
3.4 测试结果及其分析
经过测试分析,本设计达到了题目的基本要求和发挥部分的要求,在某些方面甚至超过了题目的要求。
本系统实现了题目要求,体现了程控的思想,技术较先进。
3100Hz200kHz10kHz
------分隔线----------------------------可调增益程控滤波器的设计
> 可调增益程控滤波器的设计
可调增益程控滤波器的设计
在信号处理过程中,输入信号通常是夹杂噪声和干扰的微弱信号,而且信号强度、噪声和干扰的频率也是变化的,为了得到高信噪比的输出信号,就要求信号处理电路具有放大和滤波功能,且能够按照输入信号强度的不同,干扰、噪声频率的不同而改变信号处理电路的放大倍数和滤波器设置,可调增益程控滤波器就是为了适应这种要求而设计出来的一款信号处理电路。 1 系统设计 由于信号处理系统的输入信号是含有的微弱信号,因此首先该系统应该能对微弱信号进行放大,然后再滤波,滤除干扰和噪声;其次,该系统还应该能根据信号强度的大小和频率的不同,通过键盘重新设置系统的增益和滤波器的频率等,并且将当前的设定值显示出来。根据以上要求,该系统由三部分组成,即程控放大部分、程控滤波部分和键盘、显示部分。整个系统以89C51单片机为控制器,将这三部分连接起来构成一个可调增益程控滤波的信号处理电路,系统原理框图如图1所示。 图1中,单片机循环检测键盘输入,并根据键盘输入来控制程控放大部分的放大倍数和程控滤波部分滤波器的频率,并将键盘输入的给定值通过显示部分显示出来。 2 程控放大部分设计 该部分的功能主要是按照给定的增益对输入信号进行放大,也就是说放大倍数是由程序控制可调的,为了完成这样的功能,在这里选用运算放大器AD826和10位AD7520的内部电阻网络组成一个程控可调增益的放大电路。AD826具有50 MHz的增益带宽积和较高输出驱动能力,对于普通信号的放大完全可以满足。AD7520内部集成了10个控制的电阻网络,而且这10个是可编程控制的,根据这样的特点,用AD7520内部电阻网络与AD826共同组成程控增益部分电路,原理如图2所示。 图2(a)为AD7520内部的电阻网络,图2(b)为AD7520与AD826的硬件连接图,由图2可以得出放大电路输入与输出之间的关系式如式(1)。其中A1到A10的取值由S1~S10的控制位BIT N(N从1到10)决定,当BIT N为“1”时,即开关打向与Iout1连接,则AN为1,反之AN为0。 式(1)表明,放大倍数可以从1~1 024之间任意调整,只要改变BIT1~BIT10相应位的逻辑状态就可以控制改变放大倍数。如:当BIT1~BIT10为3FFH时,由式(1)可计算出放大倍数是1倍,也就是0 dB;当为98H时放大倍数是10倍,也就是20 dB。要做到程控增益,只需要将单片机的I/O口P1.0~P1.7,P2.0~P2.1与AD7520的管脚BIT0~BIT9依次连接,通过程序控制单片机I/O口的输出状态即可完成程控增益的目的。 3 程控滤波部分设计 程控滤波部分采用可编程控制的滤波器芯片MAX261来实现。MAX261是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器,它无需外围元件即可构成多种低通、高通、带通、带阻等滤波器,最大工作频率范围从0.4 Hz~57 kHz,其原理图如图3所示。用MAX261设计滤波器时主要是设计5个参数,时钟频率fCLK;中心频率f0,以及对应的编程系数Nf;品质因数Q,以及对应的编程系数Nq。其中fCLK由外部晶振频率决定。这5个参数之间是有相互关系的,计算起来很复杂,为了提高设计效率可用MAXIM公司为MAX261滤波器提供的专用设计软件来计算。在计算f0和Q时应选择不同的工作模式。 MAX261有五种工作模式,分别为: 模式1:可以构成-巴特沃思、切贝雪夫、贝塞尔滤波器实现全极点低通和带通滤波器。 模式2:用来构成全极点低通和带通滤波器,和模式1相比,优点在于能够获得更高的Q值和低噪声输出。 模式3:能构成高通滤波器,其最大输入时钟频率小于模式1中采用的频率。 模式3A:通过运用片内自由运放把模式3中高通与低通输出相加构成独立的带阻。 模式4:可提供全通输出,也可用来提供全极点低通和带通滤波器。 在设计滤波器时可根据需要选择相应的模式。 对MAX261编程,主要是将编程系数Nf和Nq写入滤波器A和B的存储器中。MAX261的硬件原理图如图3(b)所示,用单片机的I/O口P0.0~P0.3控制四位地址线,用P0.4和P0.5控制数据线,P0.6为写控制位WR。由于Nf是六位的二进制数:F0~F5,Nq是七位的二进制数:Q0~F6,而数据位只有两位,所以对MAX261编程时应按照表1所示的地址数据格式写入。 对MAX261写数据时,地址、数据和写控制位的时序按照图4所示时序操作。地址信号在写控制位低电平时有效,数据将在WR上升沿时被写入由地址确定的存储单元中。编程时先让P0口将地址、数据和WR同时送出,如P0=80H表示WR为低电平,准备将工作模式1的控制字写入滤波器A,接着让P0.6=1,即WR由低跳高,模式1控制字就被写入存储单元。 4 键盘和显示部分设计 键盘用3个按键K1,K2,K3即可完成。K1选择程控对象,即选择当前是对程控放大部分编程还是对程控滤波部分编程,当K1选定后,K2,K3定义为加、减选择,用来调整放大部分的增益或改变滤波部分的中心频率。显示部分用已封装好的LCD显示模块,不需要另行设计。 5 结 语 本系统将3个器件AD7520,AD826,MAX261有效地结合起来,以单片机为控制器来控制放大增益和滤波频率,实现了对输人小信号的前级放大,后级滤波,消除,最终输出一个真实有效测量信号,可完成对测量信号的处理功能。
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