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1、XXXXXX大学 毕业设计（论文）题 目：程控滤波器的设计申请XXXX大学工学学士学位论文学 院：电气与电子工程学院专 业： XXXXXXX 学生姓名： XXX 指导教师： XXX 毕业设计（论文）时间：二XXX年二月二十三日六月十二日 共16周摘要本文设计了一个程控滤波器系统。该系统以凌阳单片机SPCE061A作为控制中心，用美国Maxim公司的可编程开关电容型通用滤波器MAX262专用程控滤波器芯片来完成滤波功能，用美国ADI公司的增益可程控集成运算放大器AD603来完成信号放大功能。本设计的主要内容包括：基于AD603增益可控放大器电路、基于MAX262的程控滤波器电路、单片机控制电路、
2、语音电路、电源电路、程序下载区电路和理论分析计算以及软件实现等。在该系统采用AD603与MAX262相结合的方式，通过滤波器的软件设计可以用键盘设置不同的工作模式，分别完成巴特沃兹低通滤波器、巴特沃兹高通滤波器和四阶椭圆型低通滤波器功能，滤波器的通带、截止频率等参数也可通过键盘设置。整个系统的控制和操作全部由凌阳单片机通过控制电路完成，如各项性能指标的测量、各种信号之间的切换、LCD显示、实时语音播报等。本系统设计简单，能很好地实现滤波器的程控，使用方便，具有较高的性价比、实用性和使用价值。关键词：程控滤波器，增益可控，模式选择，参数设置，凌阳单片机SPCE061AAbstractThis p
3、aper designs a program-controlled filter system. This system use SPCE061A chip sunplus as the control center, the CMOS dual secong-order universal switched-capacipor active filters MAX262,which is the special programable filters chip of Maxim company,complete the filiter funtion,the chip with Americ
4、an ADI companies gain a programmable integrated operational amplifier amplification function AD603 to finish. The design of the main contents include: based on AD623 gain controlled amplifier circuit, based on MAX262 SPC filter circuit, control circuit and audio circuit chip and power circuit, downl
5、oad area circuit, theoretical analysis, calculation and software. In this system AD603 used in combination with MAX262 way, through the filter, the software design can use the keyboard Settings of different work patterns were completed bart hogwarts low-pass filter, bart hogwarts high-pass filter an
6、d fourth-order elliptic low-pass filter function, and the bandpass filter cutoff frequency characteristics, via keyboard Settings. The whole system of control and operation by MCU control circuit is completed by sunplus, such as various performance indicators measuring, various signal switching betw
7、een, LCD display, real-time speech, etc. The system is simple in design, can well realize filter SPC, easy to use, with high performance, practicability and use value.Keywords: Program-controlled filter, Gain-controlled, Pattern choice, Parameter Settings, Sunplus SPCE061A chip目录摘 要IABSTRACT（英文摘要）目
8、录第一章 绪论11.1 课题的背景和意义11.2 国内外滤波器的研究状况11.3 滤波器的分类21.4 主要设计内容及指标21.4.1 设计任务31.4.2 主要设计技术指标与参数3第二章 设计方案及论证42.1 方案论证42.1.1 控制模块方案设计42.1.2 控制模块方案比较及选择52.1.3 增益放大模块设计方案72.1.4 增益放大模块方案比较及选择72.2 系统方案设计8第三章 硬件电路设计93.1 凌阳单片机SPCE061A最小系统设计93.2 基于MAX262的程控滤波器设计123.2.1 程控滤波器MAX262芯片的简介123.2.3 理论分析计算机实现163.3 基于AD6
9、03增益可控放大器的设计173.3.1 AD603芯片简介183.3.2 增益可控硬件电路设计203.4 语音电路设计213.4.1 音频输入电路213.4.2 音频输出电路223.5 程序下载区电路233.6 电源模块设计24第四章 系统软件设计264.1 系统主程序设计264.1.1 主程序功能264.1.2 主程序流程图274.1.3 主程序清单274.2 MAX262模块程序设计284.2.1 快速设计过程284.2.2 和Q的编程294.2.3 参数设置及程序地址314.2.4 程序设计例子334.3 擦除FLASH模块设计344.4 位操作模块设计364.5 语音播放程序的设计37
10、4.5.1 语音播放程序的功能374.5.2 语音播放程序流程图374.5.3 语音播放程序设计384.6 语音播放中断服务程序的设计394.6.1 语音播放中断服务程序的功能394.6.2 语音播放中断服务程序流程图404.6.3 语音播放中断服务程序设计40第五章 系统可靠性设计和整机调试425.1 硬件系统抗干扰设计425.1.1 主机系统的抗干扰设计425.1.2 输入信号的抗干扰设计435.2 软件抗干扰设计43第六章 结论及展望45参考文献46致 谢47附 录48第一章 绪论1.1 课题的背景和意义在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛，从某种意义上来说滤波器的发展进程
11、就代表了电子业的发展进程，在所有的电子部件中，使用最多、技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。在信号频率动态范围不宽的场合，设定固定截止频率的滤波技术也很成熟，但在许多工程应用领域，信号频率的动态范围往往很宽，如在系统频率响应的微机自动测试中频率在0.1Hz1000Hz之间变化；在旋转机械、大型水轮机组的机械故障诊断和炮口冲击波压力测试以及其他信号采集测量场合，其信号频率在几赫兹到几千赫兹之间不等。因此就有必要采用多种截止频率的滤波器，用程控方法对频率动态范围宽的信号进行滤波。到目前为止程控滤波器是滤波器中最为高端先进的一种滤波
12、器，它有着精确、使用灵活、方便等特点，在以后的发展中占据着很重要的作用。在我国程控滤波器还处于发展阶段，相对于发达国家我们还有不小的差距，所以我们必须投入更大的努力改变这一现状，从而做到不求人，只求己。1.2 国内外滤波器的研究状况1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器 、数字滤波器、开
13、关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。 程控滤波器就是在这一背景下产生的。1.3 滤波器的分类滤波器有各种不同的分类，一般有如下几种：（1）按处理信号类型分类按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。当然，每个分类又可继续分下去。实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既
14、可属于取样模拟滤波器，又可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。因此，我们不必苛求这种“精确”分类，只是让人们了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。（2）按选择物理量分类 按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如PCM制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。（3）按频率通带范围分类 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，而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器，因为它有周期性的通带和阻带。 在各类滤波器中，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，对于频率在几赫兹到几千赫兹之间不等的信号很有必要采用多种截止
15、频率的滤波器，用程控方法对频率动态范围宽的信号进行滤波。本系统设计的就是这类程控滤波器。1.4 主要设计内容及指标本系统以凌阳单片机SPCE061A作为控制中心，整个系统的控制和操作全部由单片机控制电路完成，如各项性能指标的测量、各种信号之间的切换、LCD显示、实时语音播报等。其原理框图如图1。用两级AD603增益可控放大器完成信号放大功能。用MAX262专用程控滤波器芯片，通过设置不同的工作模式，完成巴特沃兹低通滤波器、巴特沃兹高通滤波器和四阶椭圆型低通滤波器功能。1.4.1 设计任务 程控滤波器的设计包括以下设计内容：(1) 前级放大器部分，要求增益可调。(2) 后级滤波器部分，要求滤波功
16、能可设置，如：可设置为低通滤波器、高通滤波器、四阶椭圆低通滤波器。(3) 要求滤波器的截止频率、Q值和通带等参数可设置。1.4.2 主要设计技术指标与参数 主要设计技术指标如下：(1) 放大器的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100Hz40kHz，放大器的输出电压无明显失真。(2) 滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5fc处的放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。(3) 滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz20kHz范围内可调，调节的频率步进为
17、1kHz，0.5fc处的放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。(4) 有设置参数功能。(5) 放大器的电压增益为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%。(6) 设计一个四阶椭圆低通滤波器，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%。第二章 设计方案及论证 本章包括方案论证和方案设计两部分。方案论证部分列举了各个可能实现本课题要求的方案并进行比较选取最佳方案。方案设计部分将确定的最佳方案进行设计并给出具体的方案设计流程图。2.1 方案论证本设计方案论证部分分为控
18、制模块方案设计和增益放大控制模块设计两部分。每个模块共有三个方案，通过各方案的比较选取最佳方案。2.1.1 控制模块方案设计方案一 基于AT89C52单片机和FPGA主控方案设计如图2-1所示，为方案一的设计方框流程图。基于AT89C52单片机和FPGA模块,利用MAX262芯片,实现了包括滤波参数设制，滤波模式选择，LCD显示输出等功能的滤波器设计。在本程控滤波器的设计中,用AT89C52单片机控制MAX262的传递函数，独立编程设置其中心频率和品质因数来实现智能控制，并且可通过附带的滤波器设计软件任意改善滤波特性，利用FPGA模块产生频率变化范围较宽的方波频率信号,该信号可以作为数字滤波器
19、的参考输入信号和待测单元的信号源。CPUFPGA程控放大模块待测单元MAX262信号输入键盘显示16位A/D时 钟减幅电路图2-1 基于89C52和FPGA的程控滤波器方框图方案二 基于AT89C52单片机和直接数字合成芯片DDS的设计方案如图2-2所示，为方案二的设计方框流程图。本方案主要由信号放大模块、滤波模块、时钟模块、单片机控制模块和液晶显示模块等部分组成。单片机根据输入参数控制用放大器的外接电阻和开关电容滤波器的时钟信号对输入小信号进行相应的放大、低通和高通滤波处理。提出了采用直接数字频率合成技术为开关电容滤波器提供时钟脉冲,有效地控制高 /低滤波电路的截止频率。图2-2 基于AT8
20、9C52和DDS技术的程控滤波器方框图方案三 采用凌阳单片机控制MAX262专用程控滤波器芯片的设计方案如图2-3所示，为方案三的设计方框流程图。以凌阳单片机SPCE061A作为控制中心，整个系统的控制和操作全部由单片机控制电路完成，如各项性能指标的测量、各种信号之间的切换、LCD显示和实时语音播报等。通过单片机软件设计可以精确的控制各种滤波器的传递函数。MAX262是专用程控滤波器芯片，可以通过软件设置为不同的工作模式，完成巴特沃兹低通滤波器、巴特沃兹高通滤波器和四阶椭圆型低通滤波器功能。2.1.2 控制模块方案比较及选择方案一 AT89C52是一种低功耗、高性能的CMOS型8位微型计算机；
21、有8 KB的Flash，256 B的RAM，32线I/O 接口，3个16位定时器/计数器，6向量两级中断，1个双工串行口；具有片内自激振荡器和时钟电路等标准功能。此外，AT89C52设有静态逻辑，用于运行到零频率，并支持软件选择的节电运行方式和空闲方式，使CPU停止工作，而允许RAM、定时/计数器、串行VI和中断系统继续工作。在掉电方式下，片内振荡器停止工作。由于时钟被冻结，一切功能都停止，只有片内RAM 的内容被保存，直到硬件复位才恢复正常工作。该电路由芯片AT89C52的P1口来控制，由单片机的P1.0P1.5口及P1.7将数据送入存储器54HC373存起来，再送入MAX262。通过设置相
22、应的参数，可实现带宽为3050 kHz的带通滤波。AT89C52只有8KB的FLASH对于复杂系统来说稍显得小了点。另外对于要实现语音报数，液晶显示，D/A转换等功能时，51单片机需要的外围扩展电路较多。方案二 单片机根据输入的参数，控制多路模拟开关CD4051对小信号进行相应的放大，DDS产生时钟脉冲控制开关电容滤波器MF10的滤波频率，将相关参数在LCD上进行显示 。由于选用了开关电容滤波器和直接数字频率合成技术，设计的程控滤波性能优越，电路简单，可靠性高。而且结合了DDS技术 ,可以得到很高的低通和高通截止频率。直接数字频率合成技术Direct Digital Synthesis, DD
23、S是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的合成技术。DDS目前以其频率分辨率高、转换速度快、体积小、性价比高等优点而广泛的应用于各类电子设备中。方案三 采用了凌阳16位单片机SPCE061A作为控制芯片。SPCE061A 是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位的微控制器。该单片机内置有32位I/O端口，2路DA转换，8路AD转换，14个中断源以及在线仿真等功能。该单片机还具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟频率可达到49MHz，具备运算速度高的优势等等。可见，SPCE061A单片机资源丰富、具有极高的性价比。可通过自身带的D/A转换来控制
24、系统的信号增益。且SPCE061A中不仅具有语音识别功能,而且具有丰富的语音函数库，便于编程实现。因此，当想在原功能上扩展语音等功能时SPCE061A无疑是个很好的选择。经过上述比较，在控制模块中方案三比方案一及方案二更优，操作简单、方便，性能可靠，工作稳定，方案三是一种最经济的选择。2.1.3 增益放大模块设计方案方案一 简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现为了满足增益60dB的要求,可以采用多级放大电路实现。电路输出用二极管检波电路产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。方案二 为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电
25、路增益。又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D/A转换芯片，其输出Vout=DnV/210，其中Dn为10位数字量输入的二进制值，可满足210=1024挡增益调节,满足题目的精度要求。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成,具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点，故可以采用AD7520来实现信号的程控。 方案三 根据题目对放大电路的增益可控的要求，可以考虑直接选取增益可调的运放实现，如运放AD603。其内部由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个
26、参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出得到，从而实现较精确的控制。2.1.4 增益放大模块方案比较及选择方案一 本方案由于大量采用分立元件，如电容、三极管等，电路比较复杂，工作点难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激现象。 方案二 由于AD7520对输入参考电压V有一定幅度要求，为使输入信号在mVV每一数量级都有较精确的增益,最好使信号在到达AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整,再通过AD7520衰减后进行相应的后级放大，并使前后级增益积为1024，与AD7520的衰减分母抵消,即可实现程控放大。但AD7520对输入范围有要求，
27、具体实现起来比较复杂,而且转化非线性误差大，带宽只有几kHz，不能满足频带要求。方案三 AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽，单级实际工作时可提供超过30dB的增益,两级级联后即可得到60dB以上的增益。能够满足设计要求。这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。经过上述比较，在控制模块中方案三比方案一及方案二更优，操作简单、方便，性能可靠，工作稳定，方案三是一种最经济的选择。2.2 系统方案设计如图2-5所示，是程控滤波器原理方框图。方案中以凌阳单片机SPCE061A作为控制中心，整个系统的控制和操作全部由凌阳单片机SPCE061A控制电路完成，
28、如各项性能指标的测量、各种信号之间的切换、LCD显示、实时语音播报等。其原理框图如图2-3。用两级AD603增益可控放大器完成信号放大功能。用MAX262专用程控滤波器芯片，通过软件设置不同的工作模式，完成巴特沃兹低通滤波器、巴特沃兹高通滤波器和四阶椭圆型低通滤波器功能。图2-3 程控滤波器原理方框图第三章 硬件电路设计程控滤波器系统的硬件电路设计包括：单片机控制系统硬件电路设计，基于AD603增益可控放大器的设计，基于MAX262的滤波电路设计，键盘与显示模块电路设计，语音模块，电源电路设计等。3.1 凌阳单片机SPCE061A最小系统设计SPCE061A不但具有微控制器的功能，还具有DSP
29、运算功能，可用来进行数字信号处理。在存储器资源方面考虑到用户资源的需求较少以及便于程序调试等功能，SPCE061A只内嵌32K字的闪存(FLASH)和2K字的SRAM。较高的处理速度使nSP能非常容易、快速地处理复杂的数字信号。因此，以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字信号处理应用领域产品的一种非常经济的选择。SPCE061A封装形式为PLCC84，结构如图3-1所示。图3-1 SPCE061A内部结构图其主要特点如下：(1) 共有84个引脚。工作电压：VDD为2.63.6 V(CPU),VDDH为2.45.5 V(I/O)，CPU时钟为0.3249.152 MHz。(2) 2
30、个16位可编程定时/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC (数模转换)输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；具备键唤醒功能；14个中断源可来自定时器A/B、2个外部时钟源输入和键唤醒。(3) 使用凌阳科技的音频编码SACM_S240方式(2.4 Kb/S)能容纳210 S的语音数据。(4) 可通过PLL振荡器提供系统时钟信号；带有32768Hz实时时钟；具有7通道、10位电压模数转换器和声音模数转换器；声音模数转换器输入通道内置传声器放大器和自动增益控制(AGC)功能。(5) 具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路ICE(In
31、Circuit Emulator)接口，具有保密功能，调试与书写程序只需一根并口线与计算机25针并口连接；具有WatchDog功能。如下图3-2所示，是SPCE061A最小系统。图3-2 SPCE061A最小系统SPCE061A最小系统中，包括SPCE061A芯片外围的基本模块有：晶振输入模块（OSC）、锁相环外围电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等。先在OSC0、OSC1端接上晶体振荡器及谐振电容，然后在VCP端接上相应的电容和电阻后即可工作，在其它不用的VDD端和GND端接上0.1F的耦合电容提高抗干扰能力。晶振输入模块（OSC）：nSP的时钟电路是采用晶体振荡电路。
32、因RC阻容振荡的电路时钟不如外接晶振准确。外接晶振采用32768Hz。晶振输入模块电路如图3-3所示，SPCE061A可以对32768Hz实时时钟进行分频，因而提供了多种实时时钟中断。锁相环外围电路（PL）：PLL锁相环的作用是将系统提供的实时时钟基频(32768Hz)进行倍频，调整至49.152MHz、40.96MHz、32.768MHz、24.576MHz或20.480MHz。系统预设的PLL振荡频率为24.576MHz。复位电路（RESET）：复位是对61板内部的硬件初始化，由阻容电路完成上电复位功能，通电时自动复位。另外，还可以按键（S1）外部复位。SPCE061A可通过编程来启用低电
33、压监测和低电压复位功能，可对系统的电源电压进行监控，使系统能运行在一个正常、可靠的工作环境，一旦出现电源异常的情况，能立即采取相对应的措施，使系统及时恢复正常。SPCE061A复位电路如图3-4所示，在复位端加上一个低电平就可令其复位。该电路具有手动和上电复位两种功能。当电源电压低于2.2V时，系统会变得不稳定且容易出错。导致电源电压过低的原因很多，如电压的反跳、负载过重、电池电量不足等。如果电源电压低于2.2V时，会在4个时钟周期之后产生一个复位信号，使系统复位。WatchDog是用来监视系统的正常运作。当系统正常运行时，每隔一定的周期就必须清除WatchDog计数器。如果在限定的时间内，W
34、atchDog计数器没有被清除，CPU就会认为系统已经无法正常工作，将会进行系统复位(reset)。SPCE061A的WatchDog的清除时间周期为0.75秒。因为WatchDog的溢出复位信号WatchDog_Reset由4Hz时基信号经4分频之后产生的，即每4个4Hz时基信号(1秒)将会产生一个WatchDog_Reset信号。指示灯（LED）：包括Sleep睡眠指示灯和Power电源指示灯，用于指示系统处于的状态。3.2 基于MAX262的程控滤波器设计程控滤波器部分采用MAX262专用芯片，通过设置MAX262的工作方式，实现不同的滤波要求。其中，设置为工作方式1时，实现题目中巴特沃
35、兹低通滤波器和高通滤波器的要求。设置为工作方式3时，实现题目中四阶椭圆型低通滤波器的要求。3.2.1 程控滤波器MAX262芯片的简介 MAX262芯片是Maxim公司推出的双二阶通用开关电容有源滤波器，可通过微处理器精确控制滤波器的传递函数(包括设置中心频率、品质因数和工作方式)。它内部集成了2个结构相同的二阶通用开关电容有源滤波器及1个独立的运算放大器OP。这两个有源滤波器既可独立使用也可串联使用。对滤波器的方式，中心频率f0，品质因数Q可通过D0D1、A0A3端口线在上升沿写入所选中的内部单元来设置滤波器的工作方式、中心频率f0以及品质因数Q等参数。它采用CMOS工艺制造，在不需外部元件
36、的情况下就可以构成各种带通、低通、高通、陷波和全通滤波器。图3-3是它的引脚排列情况。图3-3 MAX262引脚V+ 正电源输入端。V- 负电源输入端。GND 模拟地。CLKA 外接晶体振荡器和滤波器A 部分的时钟输入端，在滤波器内部，时钟频率被2分频。CLKB 滤波器B部分的时钟输入端，同样在滤波器内部，时钟频率被2分频。CLKOUT 晶体振荡器和R-C振荡的时钟输出端。OSCOUT 与晶体振荡器或R-C振荡器相连，用于自同步。INA、INB 滤波器的信号输入端。BPA、BPB 带通滤波器输出端。LPA、LPB 低通滤波器输出端。 HPA、HPB 高通、带阻、全通滤波器输出端。 WR 写入有
37、效输入端。接V+时，输人数据不起作用；接V-时，数据可通过逻辑接口进入一个可编程的内存之中，以完成滤波器的工作模式、f0及Q的设置。此外，还可以接收TTL电平信号，并上升沿锁存输人数据。 A0、A1、A2、A3 地址输人端，可用来完成对滤波器工作模式、f0和Q的相应设置。 D0、D1 数据输入端，可用来对f0和Q的相应位进行设置。 OP OUT MAX262的放大器输出端。 OP IN MAX262的放大器反向输入端。图3-4是MAX262的内部结构。MAX262由2个二阶滤波器(A和B两部分)、2个可编程ROM 及逻辑接口组成。每个滤波器部分又包含2个级联的积分器和1个加法器。图3-4 MA
38、X262内部结构该电路的主要特性有：（1）配有滤波器设计软件，可改善滤波特性，带有微处理器接口。（2）可控制64个不同的中心频率f0、128个不同的品质因数Q及4种工作模式。（3）对中心频率，f0和品质因数Q可独立编程。（4）时钟频率与中心频率比值(fclk/f0)可达到1%(A级)。（5）中心频率f0的范围为75kHz。图3-5是控制数据输入时序。可在WR的下降沿经逻辑接口给滤波器A、B中的fclk/f0、Q及工作模式控制字分别赋予不同的值，从而实现各种功能的滤波。图3-5 控制数据输入时序3.2.2 程控滤波器硬件电路设计 如图3-6所示，是基于MAX262的滤波电路图。图3-6 基于MA
39、X262的滤波电路图1、振荡器和时钟输入MAX262的时钟电路可以在连接晶振、阻容RC网络或外部时钟发生器的方式下工作。本设计采用外加时钟的方法，再用继电器分频来产生所需的时钟频率，以满足步进1KHz的要求。2、硬件缓冲电路设计在滤波器输出硬件接口电路中采用缓冲法，通过74HC373锁存地址可以节省地址并可保证锁存数据准确、稳定。通过74HC373的缓冲电路还可以防止由于逻辑输入跃变而产生某些噪声。缓冲/锁存逻辑输入电路如图3-7所示。图3-7 缓冲/锁存逻辑输入电路3.2.3 理论分析计算机实现n阶滤波器传递函数的一般表达式 (mn) 公式（3-1）（1）巴特沃兹二阶低通滤波器的实现 将MA
40、X262设置为工作方式1，实现巴特沃兹二阶低通滤波器，本设计采用内部滤波器A，图2-3的测试点C即是巴特沃兹二阶低通滤波器的输出端。可以很好得实现其3dB截止频率fC 在1kHz20kHz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=1k。巴特沃兹二阶低通滤波器的传输函数为 公式（3-2）其中，G(S)-滤波器的传输函数，G()-滤波器的幅频特性，G-滤波器的通带增益，f-滤波器的截止频率，Q-品质因数。（2）巴特沃兹二阶高通滤波器的实现将MAX262设置为工作方式1，实现巴特沃兹二阶低通滤波器，本设计采用内部滤波器A，图2-3的测试点D即是巴特
41、沃兹二阶高通滤波器的输出端。可以很好得实现其3dB截止频率fC在1kHz20kHz 范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5fC处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,R=1k。巴特沃兹二阶高通滤波器的传输函数为 公式（3）（3）四阶椭圆型低通滤波器的实现将MAX262设置为工作方式3，实现二阶椭圆型低通滤波器，本设计采用内部滤波器A和滤波器B级连，实现四阶椭圆型低通滤波器。图2-3的测试点E即是四阶椭圆型低通滤波器的输出端。可以很好得实现，带内起伏1dB，3dB通带为50Hz，放大器与滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB，3dB通带误差不大于5。四阶椭圆型低通滤波器的传递函数
42、为 公式（3-4） 公式（3-5） 公式（3-6）3.3 基于AD603增益可控放大器的设计增益可控放大器采用两级AD603组成，主要完成信号放大。其中第一级AD603放大器增益可达40dB。当放大器输入正弦信号电压为10mV，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通带高于100Hz40KHz的范围，放大器输出电压无明显失真。两级AD603级连时，增益可达80dB。当放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为60dB，增益10dB步进可调，电压增益误差小于5%。本设计中的AD603的增益可控放大器很好得完成了题目要求的各项性能指标。3.3.1 AD603芯片简介AD603是一种增益可
43、程控的集成运放芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪声、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/s。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。图3-8是AD603的管脚排列图。图3-8 AD603管脚GPOS增益控制输入“高”GNEG增益控制输入“低”VINP放大器输入COMM放大器地端FDBK反馈网络连接点VENG负电源输入VOUT放大器输出VPOS正电源输入AD603的简化原理框图如图3-9所示，它
44、由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来,从而实现较精确的数控。由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50M，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图3-9中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样。图3-9 AD6
45、03内部原理图当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10，这时的增益范围在-1030dB。当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为1050dB。如果在5脚和7脚接上电阻，其增益范围将处于上述两者之间。AD603的增益控制接口的输入阻抗很高，在多通道或级联应用中，一个控制电压可以驱动多个运放；同时，其增益控制接口还具有差分输入能力，设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。AD603使用注意事项：(1) 供电电压一般应选为5V，最大不得超过7.5V。(2) 在5V供电情况下，加在输入端VINP的额定电压有效值应为1V，峰值为1.4V，最大不得超过2V。如要扩大测
46、量范围，应在AD603的前面加一级衰减。这样可使输出电压峰值的典型值达到3.0V。因此AD603后面通常要加一级放大才能接A/D转换器。(3) 电压控制端所加的电压必须非常稳定，否则将造成增益的不稳定，从而增加放大信号的噪声。(4) 信号必须直接连在放大器的脚4，否则将由于阻抗较大而引起放大器精度的降低。3.3.2 增益可控硬件电路设计基于AD603的增益可控硬件电路如图3-11所示。图3-10 基于AD603的增益可控硬件电路增益控制电路以AD603为核心，辅以外围电路实现程控放大器。其增益与控制电压成线性关系。系统要求最大增益达到60dB，但单一AD603最多能达到42.12dB，所以本设计采用两片AD603级联，逐级放大。系统中采用两片AD603顺序级联，两级间以电容藕合，凌阳单片机的D/A的输出控制放大增益。凌阳单片机的D/A是10位的，其精度可达2V/1024=0.0001953125，增益精度可达0.078125dB，因此完全满足要求。手动增益预置和控制的实现开环增益手动控制的基本思路是由凌阳单片机的D/A转换产生控制输出电压信号,加到图3-12中两块AD
