本科毕业设计程控低通滤波器的设计.docx
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本科毕业设计程控低通滤波器的设计
本科学生毕业设计
程控低通滤波器的设计
院系名称:
电气与信息工程学院
专业班级:
电子信息工程11-2班
学生姓名:
马恒坤
指导教师:
刘静森
职称:
副教授
黑龙江工程学院
二○一五年六月
TheGraduationDesignforBachelor'sDegree
DesignofProgramControlledLowPassFilter
Candidate:
MaHengkun
Specialty:
ElectronicInformationEngineering
Class:
11-2
Supervisor:
AssociateProf.LiuJingsen
HeilongjiangInstituteofTechnology
2015-06·Harbin
摘要
本设计是基于单片机的程控低通滤波器系统方案的设计思想和实现方法。
系统以高性能、低成本AT89LV52为核心控制器配合CD4051模拟开关实现程序控制选择滤波电路的设计方法。
利用LM358AD运算放大器设计两个电压跟随器,利用其输入阻抗高等特点实现频率信号的缓冲与隔离干扰的作用,然后让信号输入运放的正相端,利用LM358AD实现同相输入的压控电压源二阶低通滤波电路,最后将滤波的结果用液晶进行显示。
本设计首先简单介绍了程控低通滤波器的发展现状,结合系统设计方案的要求,详细论证了实现二阶低通滤波器方案的设计思路及系统的总体架构。
然后,详尽地阐述了系统的硬件电路结构和完成各项功能相关的软件设计。
最后,利用Multisim软件进行了电路仿真。
系统结构简单,可靠性高,功能易扩展,适用于多种应用领域。
关键字:
AT89LV52;模拟电子开关;LM358AD;滤波器;Multisim
ABSTRACT
ThisdesignisthedesignideaandrealizationmethodoftheprogrammablelowpassfiltersystemschemebasedonMCU.ThesystemtakestheAT89LV52asthecorecontrollerfeaturedwithhighperformanceandlowcostcoordinatedwiththeCD4051simulationswitchtorealizethedesignmethodofchoosingthefilteringcircuitwithprogramcontrol.WiththehelpoftwovoltagefollowerfeaturedwithinputimpedanceandLM358ADoperationalamplifier,achievetheroleoffrequencysignalbufferandisolationinterference,thenletthesignalenterthepositivephase.UtilizeLM358ADtorealizethesecond-orderlow-passfiltercircuitofvoltagecontrolsourcewithnon-invertinginput.Finally,theresultsofthefilteraredisplayedwithLCD.
Thesubjectofthisdesignisnlow-passfilterwithprogramcontrolincombinationwiththesystemdesignrequirements.Demonstratethedesignideaandtheoverallframeworkofthesecond-orderlow-passfilterindetail,then,describethehardwarecircuitstructureandthesoftwaredesignofthesystemindetail.Atlast,thecircuitsimulationiscarriedoutusingMultisimsoftware.Thesystemhastheadvantagesofsimplestructure,highreliability,easyexpansionandcanbeappliedininmanykindsofapplicationfields.
Keywords:
AT89LV52;AnalogElectronicSwitch;LM358AD;Filter;Multisim
第1章引言
1.1研究目的和意义
本次课题的目的是设计一个程控低通滤波器系统,设计该系统是为了让技术人员可以在对信号进行滤波处理时能够可以选择截止频率从而方便人员工作。
应用本系统到实际的工程环境中效果将会是十分显著的,通过按键的方式进行截止频率的选择,单片机在接收到按键信号会给模拟开关相应的命令,然后信号就会通过有不同截止频率值的功能电路。
本次设计程控低通滤波器系统包含单片机最小系统、压控电压源二阶低通滤波器设计、电源电路、LCD显示控制电路,工作人员通过液晶显示的数值得知当前电路的截止频率。
低通滤波器是信号学科中非常重要的一个设备,也是在学生学习与科研应用最多的一个机器,甚至可以说它的方便化、智能化、高性价比是实验设备一直不断追求的指标。
在电子学科中对实验仪器的要求是很严格的,而在所有的设备中滤波器的设计应该是最难的一种了,曾也有人说滤波器的不断发展就是电子工业不断发展的一个缩影,所以滤波器的设计是各个国家在科研投入上最注重的一块。
在工程项目中考虑到实际的现场中需要对多信号进行不同的截止滤波的情况,就需要使用到不同的截止频率的滤波器,同时在使用操作上不能过于复杂,滤波器的简单方便应用可以让在工作的人员更加快速地完成自己的相关实验或者是信号系统的工程建设,利用单片机程序控制的方式去切换不同的截止频率可以非常好地方便工作人员。
随着国家不断飞速的发展,在信号处理领域已从过去的极度落后中脱离出来,现在正在逐渐追赶发达国家在这方面的发展程序,甚至在某些层次上我国的技术已站在世界科学技术的前沿。
在这种趋势下,一些基础的实验设备也要有相应的不断进步与更新,使其可以更好地服务科研人员进行科学研究。
低通滤波器作为最基本的实验设备,它的相应功能的改善和增强是基础设备更新必须优先进行的一个关键步骤。
需要工程技术人员在信号处理领域把最具代表性的滤波器做好、做强,所以本课题所设计的低通滤波器是有着很重要的现实意义的。
1.2国内外现状和发展趋势
回顾整个电子工业的快速发展可以发现,滤波器在其中扮演着非常重要和突出的角色,它是工程技术人员使用次数最多、出现频率最高的仪器设备[1]。
在上世纪初德国的科学家首次成功制作了LC滤波器,在其后的几十年内这种基于电感、电容、电阻的滤波器越来越成熟,后来工程人员将这类滤波器统称为无源滤波器。
60年代计算机技术获得了飞速的发展,借助于各种新技术例集成工艺大大进步、工程材料复合型越来越多使得滤波器的设计也发生了非常大的变化。
这时人们已不在满足于过去的设计方法,而是朝着让性价比越来越高、占地面积越来越小、精度越来越高、功能越来越多的方向发展。
70年代伴随运算放大器的产生,人们设计出了RC有源滤波器、而后又发明了数字滤波器等多种多样类型的滤波器,这时进入滤波器发展的最快速发展时期。
而后伴随着集成技术的飞速发展,人们设计出了单片集成方式的滤波器。
这时滤波器的设计趋于稳定,重点发展方向变为提高设备的性能和增加滤波器的使用领域。
在现代科技领域人们对于滤波器的发展主要是结合的实际产品的开发[2,3]。
本课题所设计的程控低通滤波器就是根据这样的背景而产生的。
滤波器在我国的使用也已很长的时间了,在最早期50年代时我国的滤波器设计技术是非常落后的,基本上都是由外国科技人员掌握着相关技术[4]。
在后来随着我国国家实力和科技能力的逐渐强大,在国家对科研的重视程度也越来越加强的情况下,国内的滤波器设计技术也逐渐进步。
现在我国在滤波器方面的研制和制造方面已很成熟,能够满足于常规情况下的所有技术要求。
但在尖端领域内,我国在新型滤波器的设计研发上和国外发达国家还有一定的差距,相信随着国家的不断进步,人才的不断培养,在以后一定会达到和发达国家一样的先进科技水平。
滤波器按处理的信号类型来区别的话,可以分为模拟滤波器与离散滤波器两种。
其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类;离散滤波器可分为数字、取样模拟、混合三个分类。
按频率通带范围分类,滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别[5,6]。
本次课题设计的程控滤波器很难归类于哪一类。
程控滤波器是目前最为高端的滤波器,对于不同的频率输入信号很有必要采用多种截止频率的滤波器,用程控方法实现不同的截止频率滤波电路设计就是程控滤波器。
1.3本设计主要研究内容
本课题是以AT89LV52单片机为核心控制器,通过电压跟随器隔离输入信号与低通滤波器这二者前后级之间的影响,单片机通过引脚控制CD4051模拟开关,继而选择不同截止频率的低通滤波电路接通的电容值,通过LM358运放和电容值构成有源二阶低通滤波器[7],最后利用LCD将截止频率值进行显示。
预期达到的目标
(1)整个程控低通滤波器的设计分为50Hz、100Hz、1KHz三种截止频率;
(2)接入到电路中的不同电容,与LM358运放构成滤波电路;
(3)单片机控制着模拟开关,使得不同的电容通过触发按键接入到电路中,按下KEY0,截止频率为50Hz;按下KEY1,截止频率为100Hz;按下KEY2,截止频率为1KHz。
(4)选择的电路模式和截止频率要通过LCD液晶进行显示。
本设计主要研究内容如下:
第2章主要介绍了系统设计的需求,给出了整体设计方案。
第3章主要介绍了硬件的部分,包括单片机核心控制电路、电压跟随器、有源二阶低通滤波电路、程控CD4051模拟开关和LCD液晶显示。
第4章主要首先介绍总体系统的设计流程,然后详细介绍怎样通过单片机进行程控通道的选择,而后介绍了怎样用程序软件解决按键的抖动问题。
第5章主要是程序的调试,运用Multisim软件进行电路的仿真,并描述了实物调试的过程。
第2章整体方案设计
2.1系统设计的需求
本课题设计的是程控低通滤波器的设计与实现,具体需要实现的要求是单片机可以通过按键的方式控制模拟开关CD4051,从而使滤波电路接入不同的电容值,这样就可以改变滤波电路的不同截止频率,然后通过LCD液晶显示的方法显示出截止频率是多少,选择的是哪种模式[8]。
具体的实现如下:
(1)接入到电路中的不同电容,与LM358运放构成滤波电路;
(2)单片机控制着模拟开关,使得不同的电容通过触发按键接入到电路中,从而生成不同截止频率的滤波电路[9];
(3)整个程控低通滤波器的设计分为50Hz、100Hz、1000Hz三种截止频率;
(4)选择的电路模式和截止频率要通过LCD液晶进行显示。
2.2系统方案的选择
根据系统设计需求可知,系统要能够具备低通滤波器的能力,同时要能够改变滤波电路的截止频率实现三个模式的转换,还要做到防止信号在电路中被干扰的事情,而后需要通过LCD液晶进行实时显示[10]。
方案一:
采用无源LC滤波器。
利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器,该方案具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。
参照滤波器设计手册上的相关参数,可以比较容易的设计出理想的滤波器[11,12]。
方案二:
采用集成运放结合电阻R、电容C形成有源滤波电路,这样电路结构简单,所需元件少、性价比高,且电路输入阻抗高、输出阻抗低,可以在阻带实现很大的衰减[13,14]。
在这种有源滤波电路设计的基础上结合单片机技术通过软件程序的方式去实现不同数值电阻电容接入同一个滤波电路,实现这样的设计除了单片机之外还要利用模拟开关CD4051进行不同通道不同电容值的切换[15]。
利用LM358AD运算放大器设计两个电压跟随器利用其输入阻抗高等特点实现频率信号的缓冲与隔离干扰的作用,然后让信号输入运放的正相端,利用LM358AD实现同相输入的压控电压源二阶低通滤波电路[15,16],最后将滤波的结果用液晶进行显示。
虽然方案一具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点,在现阶段广泛用于现代器件设计中,但由于滤波器特性受系统参数影响大,只能消除特定的几次谐波,而对某些次谐波会产生放大作用,甚至谐振现象等因素,随着电力电子技术的发展,人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器[17]。
与无源滤波器相比,有以下特点:
(1)不仅能补偿各次谐波,还可以补偿无功,抑制变动,有一机多能的特点,在性价比上较为合理;
(2)滤波特性不受系统阻抗等的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;
(3)具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波,即具有高度可控性和快速响应性等特点[18]。
通过方案一与方案二的对比可以看出,方案二能够很好地实现此次课题设计的所有功能要求,在电路设计中也要比方案一简单,实现的效果也比方案一更好,所以本次设计最终选用方案二。
其设计的整体框图如图2.1所示:
图2.1系统框图
根据上图可以看出,单片机电路是整个系统的核心控制部分[17],整个过程分为两个部分,第一部分是信号滤波环节,首先通过信号源给出相应的信号波形,然后进入电压跟随器目的是实现前后级电路的隔离避免干扰,通过电压跟随器后进入由电阻、电容、运放构成的有源二阶低通滤波器[19],经过滤波器处理后的信号再次进入到电压跟随器随后由示波器观察截止滤波后得到的信号波形;第二部分在单片机控制单元,这里主要实现程控低通中不同截止频率的选择。
首先是通过按键的方式选择相应的模式即截止频率数值,然后单片机接收到命令后通过引脚高低电平的不同分配去控制模拟开关CD4051的不同通道选择[20],电路中一共用到两个模拟开关,第一个开关是选择正相输入端的接入电容,第二个开关是选择反馈单元中的接入电容[21]。
通过不同电容值的接入就可以实现不同截止频率的滤波电路,而后单片机通过控制LCD液晶实时显示当前工作的模式和相应的截止频率数值[22]。
2.3本章小结
本章首先介绍了整个系统的设计需求,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。
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。
3.1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3.1所示:
图3.1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没有复位电路给系统进行复位,所以由C6、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SW-PB结合电容C8、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4.7K的上拉电阻。
此款单片机的工作电压为5.5~3.3V,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。
3.2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sallen-key低通滤波器,如图3.2所示:
图3.2二阶sallen-key低通滤波器电路图
有源二阶低通滤波器的传递函数为:
(3.1)
滤波器的性能参数表达式为:
(3.2)
(3.3)
增益为:
(3.4)
在这里我让放大倍数Av=1,即R0开路,Rf短路,此时,Q=0.707。
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,
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=7.5nF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3.3示:
图3.3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。
在图3.3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=7.5nF。
3.3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3.4所示。
图3.4液晶显示电路
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P2.5-P2.7引脚对接,8个数据线D0-D7与单片机的P0.0-P0.7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。
3.4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3.4所示:
图3.4电源电路
由图3.4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。
3.5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。
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Keiluvision4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
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