程控濾波器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、111100443 朱明貴 111100423 劉奕蘭綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告 程控濾波器指導(dǎo)老師：林旭班級(jí)：信通4班 姓名：朱明貴 學(xué)號(hào)：111100443 同組：劉奕蘭 學(xué)號(hào)：1111004231、設(shè)計(jì)題目程控濾波器2、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介（1）、任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作程控濾波器，其組成如圖所示。放大器增益可設(shè)置；低通或高通濾波器通帶、截止頻率等參數(shù)可設(shè)置。圖1程控濾波器組成框圖（2）、要求1）. 基本要求放大器輸入正弦信號(hào)電壓振幅為10mV，電壓增益為40dB，增益10dB步進(jìn)可調(diào)，通頻帶為100Hz40kHz，放大器輸出電壓無(wú)明顯失真。濾波器可設(shè)置為低通濾波器，其-3dB截止頻率fc在2kHz10kHz范圍內(nèi)可

2、調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)為2kHz，2fc處放大器與濾波器的總電壓增益不大于30dB, RL=1kW。濾波器可設(shè)置為高通濾波器，其-3dB截止頻率fc在2kHz10kHz范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)為2kHz，0.5fc處放大器與濾波器的總電壓增益不大于30dB, RL=1kW。電壓增益與截止頻率的誤差均不大于10%。有設(shè)置參數(shù)顯示功能。2. 發(fā)揮部分放大器電壓增益為60dB，輸入信號(hào)電壓振幅為10mV；增益10dB步進(jìn)可調(diào)，電壓增益誤差不大于5%。3、方案論述（1）放大器方案論證與比較方案一：采用模擬開關(guān)和通用放大器實(shí)現(xiàn)。放大器采用反向比例放大的接法進(jìn)行多級(jí)級(jí)聯(lián)，通過(guò)用單片機(jī)控制模擬開關(guān)切換不同的反

3、饋電阻，從而達(dá)到放大倍數(shù)步進(jìn)可調(diào)的要求。此方案電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但電路原件數(shù)目龐大，控制復(fù)雜。方案二：采用可控增益放大器實(shí)現(xiàn)。用兩塊放大倍數(shù)為-10dB30dB的可控增益放大器AD603級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)-20dB60dB增益步進(jìn)可調(diào)。滿足基本部分和發(fā)揮部分要求，電路簡(jiǎn)單，易于控制，故選此方案。（2）濾波方案論證與比較方案一：采用基于FPGA的數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)采用“A/D轉(zhuǎn)換->FPGA/MCU處理->D/A”轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行數(shù)字濾波處理。數(shù)字濾波器具有靈活性好，精度高，截止特性好等優(yōu)點(diǎn)。但是運(yùn)算量大，需要大量處理器資源編程復(fù)雜。方案二：采用MAX262可編程濾波器實(shí)現(xiàn)MAX262是可編程

4、通用開關(guān)電容濾波集成電路，通過(guò)MCU編程控制高通、低通、帶通、帶阻的工作模式及中心頻率和品質(zhì)因數(shù)。此方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但程序控制稍顯復(fù)雜。方案三：采用LTC1068時(shí)鐘控制濾波器實(shí)現(xiàn)LTC1068時(shí)鐘可控多功能濾波器，可以用Linear公司提供的FilterCAD軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，可以得到高通、低通、帶通、帶阻不同工作模式，可以設(shè)計(jì)濾波器為巴特沃斯、契比雪夫、橢圓和自定義濾波器模型。由于設(shè)計(jì)電路方法簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，故選此設(shè)計(jì)方案。（3）MCU控制方案論證與比較方案一：采用STC89C51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)51系列單片機(jī)開發(fā)環(huán)境成熟，且易于上手。但是因?yàn)闉V波信號(hào)要求精度比較高，51難以實(shí)現(xiàn)。方案二：

5、采用STM32系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)STM32同樣具有成熟的開發(fā)環(huán)境，雖然相對(duì)51系列難度有所增加，但是STM32具有高精度，內(nèi)置高速AD、DA轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)TFT顯示屏等功能。故選擇此方案。4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)模塊組成框圖其中我主要是做設(shè)計(jì)，包括整體的系統(tǒng)構(gòu)造思路、分模塊的軟硬件設(shè)計(jì)；隊(duì)友主要是輔助，包括查找資料，幫忙查找電路錯(cuò)誤。5、模塊設(shè)計(jì)（1）放大器部分放大器部分主要由可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603、通用放大器OP37、OP07和寬帶低失真放大器OPA642組成。其電路原理圖如圖a和b所示AD603放大部分電路圖放大部分總體電路圖放大部分總體PCB圖（2）濾波部分1）低通濾波器低通濾波器采用兩級(jí)濾波模塊組

6、成的四階Butterworth低通接法。兩級(jí)的品質(zhì)因數(shù)分別為Q1=1.3066，Q2=0.5412，電路圖如圖a所示。幅頻特性曲線如圖b所示。a低通濾波器電路圖b低通濾波器幅頻特性2)高通濾波器高通濾波器采用兩級(jí)濾波模塊組成的四階Butterworth高通接法。兩級(jí)的品質(zhì)因數(shù)分別為Q1=1.3066，Q2=0.5412，電路圖如圖a所示。幅頻特性曲線如圖b所示。a高通濾波器電路圖b高通濾波器幅頻特性6、系統(tǒng)測(cè)試（1）放大部分測(cè)試測(cè)試方法：放大器部分采用輸入信號(hào)峰峰值為20mV的正弦信號(hào)，測(cè)試放大器模塊的增益點(diǎn)從0dB60dB，輸入信號(hào)的頻率變化范圍在100Hz40kHz的輸出電壓峰峰值。0.1

7、0.20.41102030400dB10dB20dB30dB40dB50dB60dB（2）低通濾波器測(cè)試使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為2V的穩(wěn)定的正弦波信號(hào)接到濾波器的輸入端，用單片機(jī)控制濾波器的截止頻率在1kHz20kHz，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，使得濾波器輸出信號(hào)電壓為通帶內(nèi)的0.707倍，記錄可得實(shí)際fc值和2fc處放大器和濾波器的總增益值。并計(jì)算相對(duì)誤差，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。FC設(shè)定值/KHz12345678910FC實(shí)測(cè)值/KHz相對(duì)誤差%2fc處最大增益/dB FC設(shè)定值/KHz11121314151617181920FC實(shí)測(cè)值/KHz相對(duì)誤差%2fc處最大增益/dB（3）高通濾波器

8、測(cè)試使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為2V的穩(wěn)定的正弦波信號(hào)接到濾波器的輸入端，用單片機(jī)控制濾波器的截止頻率在1kHz20kHz，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，使得濾波器輸出信號(hào)電壓為通帶內(nèi)的0.707倍，記錄可得實(shí)際fc值和0.5fc處放大器和濾波器的總增益值。并計(jì)算相對(duì)誤差，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。FC設(shè)定值/KHz12345678910FC實(shí)測(cè)值/KHz相對(duì)誤差%2fc處最大增益/dB FC設(shè)定值/KHz11121314151617181920FC實(shí)測(cè)值/KHz相對(duì)誤差%2fc處最大增益/dB6、測(cè)試結(jié)果及其分析 7、設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)本題的具體設(shè)計(jì)，我們對(duì)程控濾波器的整體設(shè)計(jì)原理及所要用到各類芯片

9、有了一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和掌握，可謂受益匪淺。當(dāng)然在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們還發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題和不足，比如在方案論證方面，對(duì)于多個(gè)可實(shí)現(xiàn)同一功能的方案我們猶豫不決。通過(guò)查閱大量資料及團(tuán)隊(duì)探討，我們最終選擇了最易實(shí)現(xiàn)的方案。參考文獻(xiàn)1電子技術(shù)基礎(chǔ)， 康華光等， 高等教育出版社 2數(shù)字信號(hào)處理， 張立材等， 北京郵電大學(xué)出版社 3十六為單片微處理器原理及應(yīng)用， 張培仁等， 清華大學(xué)出社4電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 俞承芳等， 復(fù)旦大學(xué)出版社 5MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)力詳解， 鄧華等， 人民郵電

10、出版社 6凌陽(yáng)單片機(jī)在大學(xué)生電子競(jìng)賽中的應(yīng)用，凌陽(yáng)科技大學(xué)計(jì)劃，北京航空航天大學(xué)出版社 7Electronic Circuit Analysis and DesignDonald A.Neamen，Publishing House of Electronics Industry 附錄一、 電路圖原理圖實(shí)物圖二、 源程序放大控制部分#ifndef _DAC_H#define _DAC_H #include "sys.h" void Dac1_Init(voi

11、d);/回環(huán)模式初始化 void Dac1_Set_Vol(u16 vol);#endif#include "dac.h"#include "stm32f10x_dac.h"/DAC通道1輸出初始化void Dac1_Init(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;DAC_InitTypeDef DAC_InitType;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE ); /使能PORTA通道時(shí)鐘 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_

12、APB1Periph_DAC, ENABLE ); /使能DAC通道時(shí)鐘 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4; / 端口配置 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; /模擬輸入 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);/PA.4 輸出高DAC_InitType.DAC_Trigger=DAC_T

13、rigger_None;/不使用觸發(fā)功能 TEN1=0DAC_InitType.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None;/不使用波形發(fā)生DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude=DAC_LFSRUnmask_Bit0;/屏蔽、幅值設(shè)置DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable ;/DAC1輸出緩存關(guān)閉 BOFF1=1 DAC_Init(DAC_Channel_1,&DAC_InitType); /初始化DAC通道1DAC_Cm

14、d(DAC_Channel_1, ENABLE); /使能DAC1 DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, 0); /12位右對(duì)齊數(shù)據(jù)格式設(shè)置DAC值/設(shè)置通道1輸出電壓/vol:03300,代表03.3Vvoid Dac1_Set_Vol(u16 vol)float temp=vol;temp/=1000;temp=temp*4096/3.3;DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,temp);/12位右對(duì)齊數(shù)據(jù)格式設(shè)置DAC值按鍵部分#ifndef _KEY_H#define _KEY_H #include "sy

15、s.h"/#define KEY0 PEin(4) /PE4/#define KEY1 PEin(3)/PE3 /#define KEY2 PEin(2)/PE2/#define KEY3 PAin(0)/PA0 WK_UP #define KEY1 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_6)/讀取按鍵1 左移 +#define KEY2 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_3)/讀取按鍵2 右移-#define KEY3 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_4)/讀取按鍵

16、3 “+”#define KEY4 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_5)/讀取按鍵4 “-”#define KEY5 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_9)/讀取按鍵5 RESET1#define KEY6 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG,GPIO_Pin_10)/讀取按鍵6 RESET2/#define KEY_LEFT 1/#define KEY_RIGHT2/#define KEY_UP3/#define KEY_DOWN4void KEY_Init(void);/IO初始化u8 K

17、EY_Scan(u8); /按鍵掃描函數(shù) #endif#include "key.h"#include "sys.h" #include "delay.h" /按鍵初始化函數(shù)void KEY_Init(void) /IO初始化 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG,ENABLE);/使能PORTG時(shí)鐘/初始化KEY0->GPIOA.13,KEY1->GPIOA.15 上拉輸入/GPIO_InitStr

18、ucture.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4;/PE24/GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; /設(shè)置成上拉輸入/ GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);/初始化GPIOE2,3,4/初始化 ->GPIOG.2/3/4/5 上拉輸入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10;GPIO_In

19、itStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; /PA0設(shè)置成輸入，默認(rèn)上拉 GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);/初始化GPIOG.0/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;/GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; /PB0設(shè)置成輸入，默認(rèn)上拉 /GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);/初始化GPIOB.0 B.1 /按鍵處理函數(shù)/返回按鍵值/mode:0

20、,不支持連續(xù)按;1,支持連續(xù)按;/0，沒(méi)有任何按鍵按下/1，KEY0按下/2，KEY1按下/3，KEY2按下 /4，KEY3按下 /注意此函數(shù)有響應(yīng)優(yōu)先級(jí),KEY0>KEY1>KEY2>KEY3!u8 KEY_Scan(u8 mode) static u8 key_up=1;/按鍵按松開標(biāo)志if(mode)key_up=1; /支持連按 if(KEY1=0|KEY2=0|KEY3=0|KEY4=0|KEY5=0|KEY6=0)/delay_ms(10);/去抖動(dòng) key_up=0;if(KEY1=0)delay_ms(10);/去抖動(dòng)if(KEY1=0)while(!KEY1

21、);return 1; else if(KEY2=0)delay_ms(10);/去抖動(dòng)if(KEY2=0)while(!KEY2);return 2;else if(KEY3=0)delay_ms(10);/去抖動(dòng)if(KEY3=0)while(!KEY3);return 3;else if(KEY4=0)delay_ms(10);/去抖動(dòng)if(KEY4=0)while(!KEY4);return 4; else if(KEY5=0)delay_ms(10);/去抖動(dòng)if(KEY5=0)while(!KEY5);return 5;else if(KEY6=0)delay_ms(10);/去抖

22、動(dòng)if(KEY6=0)while(!KEY6);return 6; else if(KEY1=1&&KEY2=1&&KEY3=1&&KEY4=1&&KEY5=1&&KEY6=1)key_up=1; return 0;/ 無(wú)按鍵按下CLK信號(hào)部分#include "sys.h" #define LED0 PGout(14)/ PG14#define LED1 PBout(5)/ PB0#define RESET_F PEout(5)/ PE5void LED_Init(void);/初始化 #en

23、dif#include "led.h"/初始化PB5和PE5為輸出口.并使能這兩個(gè)口的時(shí)鐘 /LED IO初始化void LED_Init(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitS

24、tructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; /LED1->E5 端口配置, 推挽輸出 GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure); /推挽輸出 ，IO口速度為50MHz GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5); /PE.5 輸出高 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; / 端口配

25、置, 推挽輸出 LED0->b5 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); /推挽輸出 ，IO口速度為50MHz GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5); /PE.5 輸出高 #ifndef _TIMER_H#define _TIMER_H#include "sys.h"void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc);void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);#endif#include "timer.h"#include &qu

26、ot;led.h"#include "usart.h"#include "stm32f10x_tim.h"/V1.1 20120904/1,增加TIM3_PWM_Init函數(shù)。/2,增加LED0_PWM_VAL宏定義，控制TIM3_CH2脈寬 / /通用定時(shí)器3中斷初始化/這里時(shí)鐘選擇為APB1的2倍，而APB1為36M/arr：自動(dòng)重裝值。/psc：時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)/這里使用的是定時(shí)器3!void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc) TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructur

27、e;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); /時(shí)鐘使能TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; /設(shè)置在下一個(gè)更新事件裝入活動(dòng)的自動(dòng)重裝載寄存器周期的值 計(jì)數(shù)到5000為500msTIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; /設(shè)置用來(lái)作為TIMx時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值 10Khz的計(jì)數(shù)頻率 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; /

28、設(shè)置時(shí)鐘分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /TIM向上計(jì)數(shù)模式TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); /根據(jù)TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數(shù)初始化TIMx的時(shí)間基數(shù)單位 TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE ); /使能指定的TIM3中斷,允許更新中斷NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; /T

29、IM3中斷NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; /先占優(yōu)先級(jí)0級(jí)NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; /從優(yōu)先級(jí)3級(jí)NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; /IRQ通道被使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); /根據(jù)NVIC_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設(shè)NVIC寄存器TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /使能TIMx外設(shè) /定時(shí)器3中斷服務(wù)

30、程序void TIM3_IRQHandler(void) /TIM3中斷if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) /檢查指定的TIM中斷發(fā)生與否:TIM 中斷源 TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update ); /清除TIMx的中斷待處理位:TIM 中斷源 LED1=!LED1;/TIM3 PWM部分初始化 /PWM輸出初始化/arr：自動(dòng)重裝值/psc：時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStr

31、ucture;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);/使能定時(shí)器3時(shí)鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); /使能GPIO外設(shè)和AFIO復(fù)用功能模塊時(shí)鐘GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); /Timer3部分重映射 TIM3_CH2-