1、 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)程控低通濾波器的設(shè)計(jì) 院系名稱： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電子信息工程11-2班 學(xué)生姓名：馬恒坤 指導(dǎo)教師： 劉靜森 職 稱： 副教授 黑 龍 江 工 程 學(xué) 院二一五年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Program Controlled Low Pass FilterCandidate：Ma HengkunSpecialty：Electronic Information EngineeringClass：11-2Supervisor：Associate Prof. Liu JingsenH

2、eilongjiang Institute of Technology2015-06Harbin摘 要本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的程控低通濾波器系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)以高性能、低成本AT89LV52為核心控制器配合CD4051模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)程序控制選擇濾波電路的設(shè)計(jì)方法。利用LM358AD運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)兩個(gè)電壓跟隨器,利用其輸入阻抗高等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)頻率信號的緩沖與隔離干擾的作用，然后讓信號輸入運(yùn)放的正相端，利用LM358AD實(shí)現(xiàn)同相輸入的壓控電壓源二階低通濾波電路，最后將濾波的結(jié)果用液晶進(jìn)行顯示。本設(shè)計(jì)首先簡單介紹了程控低通濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的要求，詳細(xì)論證了實(shí)現(xiàn)二階低通濾波器方

3、案的設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)的總體架構(gòu)。然后，詳盡地闡述了系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)和完成各項(xiàng)功能相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。最后，利用Multisim軟件進(jìn)行了電路仿真。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，功能易擴(kuò)展，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵字：AT89LV52；模擬電子開關(guān)；LM358AD；濾波器；MultisimABSTRACTThis design is the design idea and realization method of the programmable low pass filter system scheme based on MCU. The system takes the AT89LV52 as th

4、e core controller featured with high performance and low cost coordinated with the CD4051 simulation switch to realize the design method of choosing the filtering circuit with program control. With the help of two voltage follower featured with input impedance and LM358AD operational amplifier, achi

5、eve the role of frequency signal buffer and isolation interference, then let the signal enter the positive phase. Utilize LM358AD to realize the second-order low-pass filter circuit of voltage control source with non-inverting input. Finally, the results of the filter are displayed with LCD.The subj

6、ect of this design is n low-pass filter with program control in combination with the system design requirements. Demonstrate the design idea and the overall framework of the second-order low-pass filter in detail, then, describe the hardware circuit structure and the software design of the system in

7、 detail. At last, the circuit simulation is carried out using Multisim software. The system has the advantages of simple structure, high reliability, easy expansion and can be applied in in many kinds of application fields.Keywords：AT89LV52; Analog Electronic Switch; LM358AD;Filter; Multisim目 錄摘要IAb

8、stractII第1章 引言11.1 課題研究目的和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.3 各章節(jié)主要內(nèi)容2第2章 整體方案設(shè)計(jì)42.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求42.2 系統(tǒng)方案的選擇42.3 本章小結(jié)6第3章 硬件設(shè)計(jì)73.1 微控制器電路設(shè)計(jì)73.2 低通濾波電路設(shè)計(jì)83.3 顯示控制電路設(shè)計(jì)103.4 電源電路設(shè)計(jì)113.5 本章小結(jié)11第4章 軟件設(shè)計(jì)134.1總體程序設(shè)計(jì)134.2 程控通道程序設(shè)計(jì)154.3 按鍵去抖動程序設(shè)計(jì)154.4 本章小結(jié)17第5章 仿真與測試185.1 Multisim電路仿真185.2 實(shí)物調(diào)試215.3 本章小結(jié)26結(jié)束語27參考文獻(xiàn)28致謝30附錄3

9、1第1章 引 言1.1 研究目的和意義本次課題的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)程控低通濾波器系統(tǒng)，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)是為了讓技術(shù)人員可以在對信號進(jìn)行濾波處理時(shí)能夠可以選擇截止頻率從而方便人員工作。應(yīng)用本系統(tǒng)到實(shí)際的工程環(huán)境中效果將會是十分顯著的，通過按鍵的方式進(jìn)行截止頻率的選擇，單片機(jī)在接收到按鍵信號會給模擬開關(guān)相應(yīng)的命令，然后信號就會通過有不同截止頻率值的功能電路。本次設(shè)計(jì)程控低通濾波器系統(tǒng)包含單片機(jī)最小系統(tǒng)、壓控電壓源二階低通濾波器設(shè)計(jì)、電源電路、LCD顯示控制電路，工作人員通過液晶顯示的數(shù)值得知當(dāng)前電路的截止頻率。低通濾波器是信號學(xué)科中非常重要的一個(gè)設(shè)備，也是在學(xué)生學(xué)習(xí)與科研應(yīng)用最多的一個(gè)機(jī)器，甚至可以說它的方

10、便化、智能化、高性價(jià)比是實(shí)驗(yàn)設(shè)備一直不斷追求的指標(biāo)。在電子學(xué)科中對實(shí)驗(yàn)儀器的要求是很嚴(yán)格的，而在所有的設(shè)備中濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)該是最難的一種了，曾也有人說濾波器的不斷發(fā)展就是電子工業(yè)不斷發(fā)展的一個(gè)縮影，所以濾波器的設(shè)計(jì)是各個(gè)國家在科研投入上最注重的一塊。在工程項(xiàng)目中考慮到實(shí)際的現(xiàn)場中需要對多信號進(jìn)行不同的截止濾波的情況，就需要使用到不同的截止頻率的濾波器，同時(shí)在使用操作上不能過于復(fù)雜，濾波器的簡單方便應(yīng)用可以讓在工作的人員更加快速地完成自己的相關(guān)實(shí)驗(yàn)或者是信號系統(tǒng)的工程建設(shè)，利用單片機(jī)程序控制的方式去切換不同的截止頻率可以非常好地方便工作人員。隨著國家不斷飛速的發(fā)展，在信號處理領(lǐng)域已從過去的極度落

11、后中脫離出來，現(xiàn)在正在逐漸追趕發(fā)達(dá)國家在這方面的發(fā)展程序，甚至在某些層次上我國的技術(shù)已站在世界科學(xué)技術(shù)的前沿。在這種趨勢下，一些基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也要有相應(yīng)的不斷進(jìn)步與更新，使其可以更好地服務(wù)科研人員進(jìn)行科學(xué)研究。低通濾波器作為最基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它的相應(yīng)功能的改善和增強(qiáng)是基礎(chǔ)設(shè)備更新必須優(yōu)先進(jìn)行的一個(gè)關(guān)鍵步驟。需要工程技術(shù)人員在信號處理領(lǐng)域把最具代表性的濾波器做好、做強(qiáng)，所以本課題所設(shè)計(jì)的低通濾波器是有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義的。1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢回顧整個(gè)電子工業(yè)的快速發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，濾波器在其中扮演著非常重要和突出的角色，它是工程技術(shù)人員使用次數(shù)最多、出現(xiàn)頻率最高的儀器設(shè)備1。在上世紀(jì)初德國的

12、科學(xué)家首次成功制作了LC濾波器，在其后的幾十年內(nèi)這種基于電感、電容、電阻的濾波器越來越成熟，后來工程人員將這類濾波器統(tǒng)稱為無源濾波器。60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，借助于各種新技術(shù)例集成工藝大大進(jìn)步、工程材料復(fù)合型越來越多使得濾波器的設(shè)計(jì)也發(fā)生了非常大的變化。這時(shí)人們已不在滿足于過去的設(shè)計(jì)方法，而是朝著讓性價(jià)比越來越高、占地面積越來越小、精度越來越高、功能越來越多的方向發(fā)展。70年代伴隨運(yùn)算放大器的產(chǎn)生，人們設(shè)計(jì)出了RC有源濾波器、而后又發(fā)明了數(shù)字濾波器等多種多樣類型的濾波器，這時(shí)進(jìn)入濾波器發(fā)展的最快速發(fā)展時(shí)期。而后伴隨著集成技術(shù)的飛速發(fā)展，人們設(shè)計(jì)出了單片集成方式的濾波器。這時(shí)濾波器的

13、設(shè)計(jì)趨于穩(wěn)定，重點(diǎn)發(fā)展方向變?yōu)樘岣咴O(shè)備的性能和增加濾波器的使用領(lǐng)域。在現(xiàn)代科技領(lǐng)域人們對于濾波器的發(fā)展主要是結(jié)合的實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)2,3。本課題所設(shè)計(jì)的程控低通濾波器就是根據(jù)這樣的背景而產(chǎn)生的。濾波器在我國的使用也已很長的時(shí)間了，在最早期50年代時(shí)我國的濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)是非常落后的，基本上都是由外國科技人員掌握著相關(guān)技術(shù)4。在后來隨著我國國家實(shí)力和科技能力的逐漸強(qiáng)大，在國家對科研的重視程度也越來越加強(qiáng)的情況下，國內(nèi)的濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)也逐漸進(jìn)步?，F(xiàn)在我國在濾波器方面的研制和制造方面已很成熟，能夠滿足于常規(guī)情況下的所有技術(shù)要求。但在尖端領(lǐng)域內(nèi)，我國在新型濾波器的設(shè)計(jì)研發(fā)上和國外發(fā)達(dá)國家還有一定的差距，相

14、信隨著國家的不斷進(jìn)步，人才的不斷培養(yǎng)，在以后一定會達(dá)到和發(fā)達(dá)國家一樣的先進(jìn)科技水平。濾波器按處理的信號類型來區(qū)別的話，可以分為模擬濾波器與離散濾波器兩種。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個(gè)分類；離散濾波器可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個(gè)分類。按頻率通帶范圍分類，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個(gè)類別5,6。本次課題設(shè)計(jì)的程控濾波器很難歸類于哪一類。程控濾波器是目前最為高端的濾波器，對于不同的頻率輸入信號很有必要采用多種截止頻率的濾波器，用程控方法實(shí)現(xiàn)不同的截止頻率濾波電路設(shè)計(jì)就是程控濾波器。1.3 本設(shè)計(jì)主要研究內(nèi)容本課題是以AT89LV52單片機(jī)為核心控制器，通過電壓跟隨器隔

15、離輸入信號與低通濾波器這二者前后級之間的影響，單片機(jī)通過引腳控制CD4051模擬開關(guān)，繼而選擇不同截止頻率的低通濾波電路接通的電容值，通過LM358運(yùn)放和電容值構(gòu)成有源二階低通濾波器7，最后利用LCD將截止頻率值進(jìn)行顯示。預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)（1）整個(gè)程控低通濾波器的設(shè)計(jì)分為50Hz、100Hz、1KHz三種截止頻率；（2）接入到電路中的不同電容，與LM358運(yùn)放構(gòu)成濾波電路；（3）單片機(jī)控制著模擬開關(guān)，使得不同的電容通過觸發(fā)按鍵接入到電路中，按下KEY0，截止頻率為50Hz；按下KEY1，截止頻率為100Hz；按下KEY2，截止頻率為1KHz。（4）選擇的電路模式和截止頻率要通過LCD液晶進(jìn)行顯示

16、。本設(shè)計(jì)主要研究內(nèi)容如下：第2章主要介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，給出了整體設(shè)計(jì)方案。第3章主要介紹了硬件的部分，包括單片機(jī)核心控制電路、電壓跟隨器、有源二階低通濾波電路、程控CD4051模擬開關(guān)和LCD液晶顯示。第4章主要首先介紹總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，然后詳細(xì)介紹怎樣通過單片機(jī)進(jìn)行程控通道的選擇，而后介紹了怎樣用程序軟件解決按鍵的抖動問題。第5章主要是程序的調(diào)試，運(yùn)用Multisim軟件進(jìn)行電路的仿真，并描述了實(shí)物調(diào)試的過程。第2章 整體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求本課題設(shè)計(jì)的是程控低通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體需要實(shí)現(xiàn)的要求是單片機(jī)可以通過按鍵的方式控制模擬開關(guān)CD4051，從而使濾波電路接入不同的

17、電容值，這樣就可以改變?yōu)V波電路的不同截止頻率，然后通過LCD液晶顯示的方法顯示出截止頻率是多少，選擇的是哪種模式8。具體的實(shí)現(xiàn)如下：(1)接入到電路中的不同電容，與LM358運(yùn)放構(gòu)成濾波電路；(2)單片機(jī)控制著模擬開關(guān)，使得不同的電容通過觸發(fā)按鍵接入到電路中，從而生成不同截止頻率的濾波電路9；(3)整個(gè)程控低通濾波器的設(shè)計(jì)分為50Hz、100Hz、1000Hz三種截止頻率；(4)選擇的電路模式和截止頻率要通過LCD液晶進(jìn)行顯示。2.2 系統(tǒng)方案的選擇根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求可知，系統(tǒng)要能夠具備低通濾波器的能力，同時(shí)要能夠改變?yōu)V波電路的截止頻率實(shí)現(xiàn)三個(gè)模式的轉(zhuǎn)換，還要做到防止信號在電路中被干擾的事情，而

18、后需要通過LCD液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示10。方案一：采用無源LC濾波器。利用電感和電容可以搭建各種類型的濾波器，該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)。參照濾波器設(shè)計(jì)手冊上的相關(guān)參數(shù)，可以比較容易的設(shè)計(jì)出理想的濾波器11,12。方案二：采用集成運(yùn)放結(jié)合電阻R、電容C形成有源濾波電路，這樣電路結(jié)構(gòu)簡單，所需元件少、性價(jià)比高，且電路輸入阻抗高、輸出阻抗低，可以在阻帶實(shí)現(xiàn)很大的衰減13,14。在這種有源濾波電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合單片機(jī)技術(shù)通過軟件程序的方式去實(shí)現(xiàn)不同數(shù)值電阻電容接入同一個(gè)濾波電路，實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)除了單片機(jī)之外還要利用模擬開關(guān)CD4051進(jìn)行不同通道不同電容值的切換1

19、5。利用LM358AD運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)兩個(gè)電壓跟隨器利用其輸入阻抗高等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)頻率信號的緩沖與隔離干擾的作用，然后讓信號輸入運(yùn)放的正相端，利用LM358AD實(shí)現(xiàn)同相輸入的壓控電壓源二階低通濾波電路15,16，最后將濾波的結(jié)果用液晶進(jìn)行顯示。雖然方案一具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段廣泛用于現(xiàn)代器件設(shè)計(jì)中，但由于濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象等因素，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器17。與無源濾波器相比，有以下特點(diǎn)：（1）不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可以補(bǔ)償無功，抑制變動，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，

20、在性價(jià)比上較為合理；（2）濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；（3）具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點(diǎn)18。通過方案一與方案二的對比可以看出，方案二能夠很好地實(shí)現(xiàn)此次課題設(shè)計(jì)的所有功能要求，在電路設(shè)計(jì)中也要比方案一簡單，實(shí)現(xiàn)的效果也比方案一更好，所以本次設(shè)計(jì)最終選用方案二。其設(shè)計(jì)的整體框圖如圖2.1所示：圖2.1 系統(tǒng)框圖根據(jù)上圖可以看出，單片機(jī)電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分17，整個(gè)過程分為兩個(gè)部分，第一部分是信號濾波環(huán)節(jié)，首先通過信號源給出相應(yīng)的信號波形，然后進(jìn)入電壓跟隨器目的是實(shí)現(xiàn)前后級電路的隔離避免干擾，通過電壓跟隨器

21、后進(jìn)入由電阻、電容、運(yùn)放構(gòu)成的有源二階低通濾波器19，經(jīng)過濾波器處理后的信號再次進(jìn)入到電壓跟隨器隨后由示波器觀察截止濾波后得到的信號波形；第二部分在單片機(jī)控制單元，這里主要實(shí)現(xiàn)程控低通中不同截止頻率的選擇。首先是通過按鍵的方式選擇相應(yīng)的模式即截止頻率數(shù)值，然后單片機(jī)接收到命令后通過引腳高低電平的不同分配去控制模擬開關(guān)CD4051的不同通道選擇20，電路中一共用到兩個(gè)模擬開關(guān)，第一個(gè)開關(guān)是選擇正相輸入端的接入電容，第二個(gè)開關(guān)是選擇反饋單元中的接入電容21。通過不同電容值的接入就可以實(shí)現(xiàn)不同截止頻率的濾波電路，而后單片機(jī)通過控制LCD液晶實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工作的模式和相應(yīng)的截止頻率數(shù)值22。2.3 本章

22、小結(jié) 本章首先介紹了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，并給出了兩種設(shè)計(jì)方案通過對比最終選擇了方案二，然后詳細(xì)分析了整個(gè)系統(tǒng)的組成單元和每個(gè)單元要實(shí)現(xiàn)的功能及目的。第3章 硬件設(shè)計(jì)在本次的課題設(shè)計(jì)中最重要的一部分就是硬件電路設(shè)計(jì)，這一部分是制作實(shí)際電路板必須要進(jìn)過的一個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)對實(shí)際功能的需求設(shè)計(jì)出符合并能實(shí)現(xiàn)程控低通濾波器的電路。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)之前需要先進(jìn)行截止頻率的計(jì)算，然后才能選定好各電子器件數(shù)值。在整個(gè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路主要包括微控制器電路設(shè)計(jì)、壓控電壓源二階低通濾波器的設(shè)計(jì)、按鍵及液晶顯示電路、系統(tǒng)供電電源電路的設(shè)計(jì)等，只有這些功能電路都成功地實(shí)現(xiàn)后，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路才能夠成功實(shí)現(xiàn)，下面將一一介紹。

23、3.1 微控制器電路設(shè)計(jì)微控制器是整個(gè)程控低通濾波器中程控部分實(shí)現(xiàn)的核心，也是整個(gè)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)中心控制電路，所以這部分的電路是非常重要的。根據(jù)硬件模塊的需求可知單片機(jī)要具備處理性能好、操作簡單等功能。本次設(shè)計(jì)選用的是STC89c52RC單片機(jī)，這款微控制器有著低電壓、低功耗、性能強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理速度快等功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于大多數(shù)情況復(fù)雜的控制應(yīng)用電路。所以滿足這款芯片正常穩(wěn)定工作運(yùn)行的核心控制硬件模塊為此次設(shè)計(jì)的第一部分，控制電路如圖3.1所示：圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)上圖為單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路，由于單片機(jī)內(nèi)部沒有晶振來提供系統(tǒng)所需時(shí)鐘也沒有復(fù)位電路給系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，所以由C6、C7兩個(gè)電容

24、結(jié)合12M的晶振組成給單片機(jī)固定的節(jié)拍時(shí)鐘，由按鍵SW-PB結(jié)合電容C8、電阻R2構(gòu)成單片機(jī)復(fù)位電路，同時(shí)給單片機(jī)的P0與P2端口外接4.7K的上拉電阻。此款單片機(jī)的工作電壓為5.53.3V，內(nèi)部Flash為8K、RAM為512字節(jié)。在對芯片進(jìn)行程序下載時(shí)可以利用串口直接下載電路需要的程序。這部分的設(shè)計(jì)主要要考慮到單片機(jī)的性能，所擁有的I/O引腳是否夠此次設(shè)計(jì)的使用，因?yàn)樵诖舜卧O(shè)計(jì)中要使用到三個(gè)按鍵、三個(gè)模擬開關(guān)的控制端、十個(gè)左右的液晶顯示端和單片機(jī)最小系統(tǒng)需要的晶振、復(fù)位按鍵等。單片機(jī)要有很好地反應(yīng)速度和處理能力，它要實(shí)現(xiàn)液晶電路的顯示、輸入按鍵的信號處理和對模擬開關(guān)的輸出通道模式選擇。微控

25、制器作為系統(tǒng)的控制核心，其性能對系統(tǒng)完成后的整體性能影響很大，所以選擇一個(gè)合適的微控制器是設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)。3.2 低通濾波電路設(shè)計(jì)理想的低通濾波器應(yīng)該能使所有低于截止頻率的信號無損通過，而所有高于截止頻率的信號都應(yīng)該被無限的衰減。本次設(shè)計(jì)我選擇了二階sallen-key低通濾波器，如圖3.2所示：圖3.2二階sallen-key低通濾波器電路圖有源二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為： (3.1)濾波器的性能參數(shù)表達(dá)式為： (3.2) (3.3)增益為： (3.4)在這里我讓放大倍數(shù)Av =1，即R0開路，Rf短路，此時(shí)，Q=0.707。本設(shè)計(jì)的截止頻率分別是50Hz、100Hz和1KHz。為了減少模擬

26、開關(guān)的個(gè)數(shù)，本次設(shè)計(jì)我取電阻不變，只改變電容值的做法，取電阻R1=R2=10K，則根據(jù)公式：C1=2C2，計(jì)算求得：當(dāng)C1=300nF、C2=150nF接入電路時(shí)，截止頻率為50Hz；當(dāng)C1=110nF，C2=51nF接入電路時(shí)，截止頻率為100Hz；當(dāng)C1=15nF，C2=7.5nF接入電路時(shí)，截止頻率為1000Hz。即整個(gè)程控濾波器可分為三個(gè)檔位，通過對不同的電容的切換，進(jìn)而切換出巴特沃斯濾波器，而改變電容這個(gè)過程則需要控制芯片和模擬開關(guān)共同作用方可完成。在此次的課題設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)不同截止頻率選擇的功能電路是由CD4051模擬開關(guān)去控制的，在這個(gè)電路環(huán)節(jié)中模擬開關(guān)和電壓跟隨器、運(yùn)放共同組成了二

27、階低通濾波電路的設(shè)計(jì)。這部分可以說是整個(gè)系統(tǒng)電路的核心組成，它的性能直接決定了電路的技術(shù)指標(biāo)，所以它的設(shè)計(jì)是非常重要的，具體的原理圖如圖3.3示：圖3.3 程控濾波模塊原理圖 從上面的原理圖可以看出，信號首先進(jìn)入電壓跟隨器，此次設(shè)計(jì)用到的電壓跟隨器是由運(yùn)放LM358構(gòu)成信號由IN接入運(yùn)放的正相端，然后運(yùn)放的輸出端接入運(yùn)放的負(fù)相端實(shí)現(xiàn)運(yùn)放的一個(gè)負(fù)反饋，接下來是進(jìn)入由電阻、電容、運(yùn)放構(gòu)成的有源二階低通濾波器，首先進(jìn)過電阻然后并聯(lián)到一個(gè)電容接地，接入運(yùn)放LM358的正相接入端。接下來電阻再通過一個(gè)并聯(lián)電容直接接入到運(yùn)放輸出端形成一個(gè)正反饋電路，這樣形成回路后將信號輸出至電壓跟隨器然后在OUT處接入示

28、波器觀察濾波器處理后的信號波形。在圖3.3中可以發(fā)現(xiàn)，截止頻率的不同數(shù)值實(shí)現(xiàn)是通過接入兩個(gè)不同的電容值形成不同的濾波電路去實(shí)現(xiàn)的。在這里就需要進(jìn)行不同電容值之間的正確切換，所以就需要用到模擬開關(guān)去實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，在本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的模擬開關(guān)是CD4051它有著使用簡單功能強(qiáng)大反應(yīng)迅速等特點(diǎn)。首先在單片機(jī)的端口處選擇三個(gè)引腳作為控制端的輸出命令信號，然后將三個(gè)引腳分別對接模擬開關(guān)的通道選擇端A、B、C三個(gè)引腳，模擬開關(guān)擁有1個(gè)輸入口，8個(gè)輸出通道的選擇。在具體的工作實(shí)現(xiàn)中是通過輸出高低電平給A、B、C然后選擇對應(yīng)的通道，例如輸入三個(gè)000低電平就會選擇輸出通道0，輸入001兩低一高電平就會選擇

29、輸出通道1。通過這樣方式就可以接入不同的電容值12，例如電路設(shè)計(jì)是產(chǎn)生截止頻率為50Hz的低通濾波器，按下按鍵0，給運(yùn)放接正負(fù)兩個(gè)電源供電，各電阻電容值分別為：R1=R2=10K，C1=300nF，C4=150nF；電路設(shè)計(jì)是產(chǎn)生截止頻率為100Hz的低通濾波器，按下按鍵1，給運(yùn)放接正負(fù)兩個(gè)電源供電，各電阻電容值分別為：R1=R2=10K，C2=110nF，C5=51nF；電路設(shè)計(jì)是產(chǎn)生截止頻率為1KHz的低通濾波器，按下按鍵2，,給運(yùn)放接正負(fù)兩個(gè)電源供電，各電阻電容值分別為：R1=R2=10K，C3=15nF，C6=7.5nF。3.3 顯示控制電路設(shè)計(jì)在整個(gè)選擇截止頻率不同的濾波電路時(shí)是通過

30、按鍵實(shí)現(xiàn)的，但在實(shí)際應(yīng)用中有一個(gè)不方便的地方就是按鍵給工作人員帶來的感覺不直觀，不能讓使用者一看就明白此時(shí)電路處于哪個(gè)模式、截止頻率為多少?；谶@種現(xiàn)實(shí)考慮系統(tǒng)決定引入液晶顯示，通過LCD的方式讓人更直觀的觀察到此時(shí)電路工作的狀態(tài)是哪種，具體的實(shí)現(xiàn)電路如圖3.4所示。圖3.4 液晶顯示電路液晶有三個(gè)控制端8個(gè)數(shù)據(jù)線，三個(gè)控制端RS、WR和E與單片機(jī)的P2.5-P2.7引腳對接，8個(gè)數(shù)據(jù)線D0-D7與單片機(jī)的P0.0-P0.7引腳對接，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸同時(shí)單片機(jī)可以通過程序軟件實(shí)現(xiàn)對液晶的控制，液晶的亮度是通過其一個(gè)引腳接滑動電阻連接電源來控制的，接入的電阻值越大液晶越暗，通常是把電阻值調(diào)到最

31、小讓液晶處理最亮的狀態(tài)。在液晶的第一行顯示的是當(dāng)前處于模式1還是模式2還是模式3；第二行顯示的是當(dāng)前所處狀態(tài)的截止頻率是50Hz還是100Hz還是1KHz。通常這樣直觀的顯示可以讓使用者感覺更直觀，用戶體驗(yàn)度更好。3.4 電源電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的每一個(gè)電路模塊都需要有電源來供電，所以電源電路部分的設(shè)計(jì)是不可缺少的，又因?yàn)殡娐分械母鞑糠制骷枰碾妷河胁煌?，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)能提供多電壓的供電電路，因?yàn)橛羞\(yùn)算放大器的原因，在電源電路的設(shè)計(jì)中還要注意要能夠提供出負(fù)電壓，因?yàn)檫\(yùn)算放大器采用的電源是正負(fù)電壓供電的方式，供電電源電路的設(shè)計(jì)如圖3.4所示：圖3.4 電源電路由圖3.4可以看出，P_IN接

32、變壓器的三個(gè)輸入端，系統(tǒng)采用的線性電源是將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓值，然后再經(jīng)過整流電路得到的直流電壓。在電路中加入了很多的電容進(jìn)行退耦來降低電源的紋波減少干擾，得到帶有微小波紋電壓的電壓。利用78XX系列來得到正負(fù)12V、正負(fù)5V供電電壓。3.5 本章小結(jié)本章是屬于硬件電路的設(shè)計(jì)，主要介紹系統(tǒng)控制核心單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)成和程控電路環(huán)節(jié)是如何通過與單片機(jī)的配合實(shí)現(xiàn)不同截止頻率的選擇與設(shè)計(jì)，接著介紹了液晶顯示部分顯示的工作模式和截止頻率數(shù)值，最后介紹電路需要的供電電源設(shè)計(jì)。第4章 軟件設(shè)計(jì)第三章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的硬件部分，可以很容易的理解到在整個(gè)的系統(tǒng)運(yùn)行中光有硬件系統(tǒng)是不能工作的，還需

33、要相應(yīng)的軟件來進(jìn)行控制，在本設(shè)計(jì)中用到了軟件和編譯器。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中單片機(jī)用到的語言是C語言，這種語言的優(yōu)點(diǎn)是靈活易使用，操作性強(qiáng)，程序表達(dá)簡潔，執(zhí)行效率高26。設(shè)計(jì)采用Keil uvision4軟件作為開發(fā)工具，其窗口表達(dá)十分清晰，同時(shí)，軟件所帶的編譯器與調(diào)制工具十分方便易用并且與設(shè)計(jì)中所選用的AT89LV52單片機(jī)可以很完美的結(jié)合，為本設(shè)計(jì)中軟件的編寫與調(diào)試帶來了非常大的方便。同時(shí)，軟件采用UART串口的形式進(jìn)行程序下載。在設(shè)計(jì)中對處理器芯片進(jìn)行程序代碼的編寫，首先是對芯片進(jìn)行初始化配置把相應(yīng)的時(shí)鐘、復(fù)用引腳、液晶顯示的程序等都設(shè)置好。在按鍵控制信號的采集過程中，需要對輸入信號進(jìn)行按鍵去抖

34、動程序處理，保證信號輸入的準(zhǔn)確性避免出現(xiàn)按一次多次響應(yīng)的錯(cuò)誤，在本設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)要通過引腳輸出的高低電平命令實(shí)現(xiàn)對模擬開關(guān)CD4051的輸出通道口的選擇。同時(shí)單片機(jī)需要將當(dāng)前濾波電路的工作模式及當(dāng)前截止頻率送到液晶進(jìn)行顯示。在整個(gè)的程序設(shè)計(jì)中主要分為三部分的程序流程設(shè)計(jì)，他們分別對應(yīng)整體設(shè)計(jì)程序流程、程控通道程序設(shè)計(jì)、按鍵去抖動程序設(shè)計(jì)。第一部分的程序設(shè)計(jì)為總體程序的設(shè)計(jì)，它根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的貫穿始終來考慮，基本包括了程序設(shè)計(jì)中的主要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和大體設(shè)計(jì)思路；第二部分的設(shè)計(jì)為程控通道選擇程序的設(shè)計(jì)，這部分是很重要的一個(gè)功能實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，對于處于不同截止頻率的不同濾波電路主要是通過這一環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，在這

35、個(gè)環(huán)節(jié)里主要是模擬開關(guān)與單片機(jī)之間的程序配合；第三部分按鍵去抖動程序的設(shè)計(jì)，按鍵去抖動是很重要的一部分因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)的程控輸入端就是通過按鍵來操作的，對于按鍵去抖動有有很多的實(shí)現(xiàn)方式，分為硬件和軟件，在此次設(shè)計(jì)中采用軟件處理的方式，在軟件處理的方式也可根據(jù)實(shí)際情況分為比如查詢、矩陣鍵盤的掃描等，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所需要的按鍵數(shù)量較少，所以采用程序軟件查詢的方式進(jìn)行處理；下面將逐個(gè)進(jìn)行介紹。4.1 總體程序設(shè)計(jì)在程序設(shè)計(jì)中首先需要對整體的流程框圖有一個(gè)大體的理解，通過整體的理解后再去細(xì)化每一環(huán)節(jié)應(yīng)該執(zhí)行的功能。在此次的程控低通濾波器的設(shè)計(jì)中，根據(jù)電路實(shí)現(xiàn)過程畫出具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖4.1所示：圖4.1 總

36、體程序流程圖從上面的流程圖可以看出整體的設(shè)計(jì)思路是非常清晰的，首先單片機(jī)上電進(jìn)行初始化配置，把電路工作時(shí)要使用到按鍵、模擬開關(guān)的控制端、液晶數(shù)據(jù)傳輸引腳、晶振、復(fù)位按鍵等都使其開始工作。接下來進(jìn)入判斷環(huán)節(jié)，這個(gè)步驟的作用是選擇程控濾波電路的工作模式和對應(yīng)的截止頻率數(shù)值。單片機(jī)在接收到按鍵選擇的工作模式后就會通過引腳給模擬開關(guān)的控制端輸入相應(yīng)的高低電平，生成相應(yīng)的命令使濾波電路得到不同的接入電容從而實(shí)現(xiàn)不同的截止頻率，這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)程控濾波電路的流程設(shè)計(jì)。4.2 程控通道程序設(shè)計(jì)程控通道的選擇是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能電路核心，這一部分主要是由單片機(jī)和模擬開關(guān)CD4051配合來實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)通過自己

37、的引腳對接模擬開關(guān)的控制引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)命令的傳輸，模擬開關(guān)接收到命令后去選擇相應(yīng)的通道輸出口繼而連接不同的電容進(jìn)入濾波電路中，具體實(shí)現(xiàn)的流程如圖4.2所示：圖4.2 程控通道選擇首先單片機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后按下按鍵選擇具體的截止頻率與工作模式，按鍵0對應(yīng)的截止頻率為1KHz，按鍵1對應(yīng)的截止頻率為100Hz，按鍵2對應(yīng)的截止頻率為50Hz，單片機(jī)在得到按鍵按下的命令后去判斷是按鍵幾，然后執(zhí)行相對應(yīng)的功能命令，例按鍵2按下單片機(jī)對與模擬開關(guān)相連接的P1.0、P1.1、P1.2進(jìn)行電平賦值0、0、0，與之相連的模擬開關(guān)就會選擇輸出通道0作為輸出端，繼而與輸出通道相連接的兩個(gè)電容值就接入到了濾波電路

38、中，與電阻、運(yùn)放一共構(gòu)成了截止頻率為1KHz的低通濾波電路，其它濾波電路的實(shí)現(xiàn)原理與1KHz一樣。4.3 按鍵去抖動程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是通過按鍵輸入的方式實(shí)現(xiàn)不同截止頻率的濾波電路的選擇的，所以對于按鍵這一塊的處理要非常重視，避免出現(xiàn)一次按下多次響應(yīng)的錯(cuò)誤。在此次的設(shè)計(jì)中對于按鍵去抖動的處理是采用程序軟件的方式實(shí)現(xiàn)的，這樣可以節(jié)省硬件成本同時(shí)使用方便、操作簡單，具體的程序流程圖如圖4.3所示:圖4.3 按鍵掃描流程圖首先進(jìn)行單片機(jī)初始化設(shè)置，因?yàn)榘存I與單片機(jī)的引腳是連接在一起的，所以當(dāng)按鍵出現(xiàn)變化時(shí)單片機(jī)的引腳也會出現(xiàn)相應(yīng)的電平高低變化，單片機(jī)通過讀取引腳的變化就可以檢測到按鍵當(dāng)前的狀態(tài)。接

39、入按鍵的引腳電平出現(xiàn)變化即按鍵按下，單片機(jī)首先延時(shí)10ms的時(shí)間進(jìn)入延時(shí)去抖動程序，10ms過后如果還有信號即證明按鍵此時(shí)牌按下的狀態(tài)，單片機(jī)執(zhí)行此按鍵對應(yīng)的命令，在這之后按鍵松開單片機(jī)再次進(jìn)行判斷10ms后沒有信號輸入說明按鍵此時(shí)已被松開。4.3 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件組成部分，首先是整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，從信號輸入到進(jìn)過濾波處理輸出的整體過程做出了詳細(xì)的分析與介紹。然后就程控低通濾波部分，這一部分的設(shè)計(jì)可以說是整個(gè)電路的實(shí)現(xiàn)核心，對于模擬開關(guān)的選擇要十分的注意，要保證模擬開關(guān)有很好的性能，可以進(jìn)行快速的反應(yīng)并且能夠讓與之連接的電子器件很好地發(fā)揮本身的功能。最后是對按鍵控制部分的去

40、抖動處理。第5章 仿真與測試本課題在制作實(shí)際電路板時(shí)，首先是制訂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并根據(jù)實(shí)際情況得出最優(yōu)設(shè)計(jì)選擇，然后去根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求來選擇性能及價(jià)格都合適的相應(yīng)電子器件，根據(jù)器件的特性選擇相應(yīng)的編譯器及下載方式并利用編程軟件編寫出符合相應(yīng)功能要求的程序代碼，此上的這些步驟為實(shí)際電路設(shè)計(jì)的前提。在設(shè)計(jì)好電路原理圖和程序代碼后，就需要對電路設(shè)計(jì)原理進(jìn)行仿真驗(yàn)證其設(shè)計(jì)是否正確，有什么問題能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的性能。對原理圖和程序代碼驗(yàn)證得出設(shè)計(jì)正確后，就需要焊接電子器件測試實(shí)際電路板，調(diào)整好實(shí)際電路板后就完成了整個(gè)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。在對電路設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)可以選用很多軟件進(jìn)行仿真，經(jīng)過對比最終決定采用Mul

41、tisim軟件進(jìn)行電路仿真，因?yàn)樵诔炭氐屯V波器設(shè)計(jì)中要運(yùn)用到運(yùn)算放大器，此軟件可以很好地支持對運(yùn)放的仿真效果，同時(shí)利用該軟件可以非常方便的觀察到濾波電路處理后的信號波形圖，它利用內(nèi)部的軟件組件可以為工作人員直觀地顯示信號的波形。此次設(shè)計(jì)除了進(jìn)行仿真外，還進(jìn)行了實(shí)物的制作。在經(jīng)過電路原理仿真后，就需要把PCB板送到工廠中進(jìn)行電路板的制作，這時(shí)要把電路中的軟件代碼編寫好，等到PCB板回到手中時(shí)進(jìn)行電路焊接后，要對整個(gè)實(shí)際電路進(jìn)行調(diào)試，如果出現(xiàn)問題就解決掉直到整個(gè)電路最后成功設(shè)計(jì)好。5.1 Multisim軟件仿真本設(shè)計(jì)所采用的電路仿真軟件是NI公司的multisim軟件，它具有很強(qiáng)大并且豐富的功

42、能，可以根據(jù)自己的需求調(diào)出相應(yīng)的器件例信號發(fā)生器、示波器等，同時(shí)它還可以對模擬電路、數(shù)字電路進(jìn)行仿真，可通過功能模塊進(jìn)行結(jié)果的顯示27。在經(jīng)過方案討論定下設(shè)計(jì)方案后，就可以利用此軟件對設(shè)計(jì)的電路原理圖進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)仿真軟件顯示的結(jié)果調(diào)整自己的設(shè)計(jì)，最終得到最正確的電路原理圖。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求是利用單片機(jī)程控的方式，選擇不同的低通濾波電路接入不同的電容阻值得到截止頻率不同的濾波設(shè)計(jì)。根據(jù)這樣的設(shè)計(jì)思想，在進(jìn)行電路驗(yàn)證的時(shí)候利用multisim得到截止頻率分別為50Hz、100Hz、1KHz的三個(gè)截止頻率。三個(gè)截止頻率的不同，主要在于電路設(shè)計(jì)中對電阻、電容值的不同設(shè)定，進(jìn)而產(chǎn)生不同的效果。首先介紹

43、截止頻率為50Hz的電路設(shè)計(jì)，具體仿真圖分為電路圖與波形輸出圖，如圖5.1所示：圖5.1 截止頻率為50Hz的仿真電路圖從上圖中可以看出，利用仿真軟件里的控件XFG1為信號頻率發(fā)生器，XBP1為信號示波器，此電路設(shè)計(jì)是產(chǎn)生截止頻率為50Hz的低通濾波器，要給運(yùn)放接正負(fù)兩個(gè)電源供電，各電阻電容值分別為：R1=R2=10K，C1=300nF，C2=150nF，從圖5.1中可以看出XBP1波特測試儀的截止頻率為50.501Hz(理論為50Hz)。從波形圖中可以看出超出50.501Hz后，明顯出現(xiàn)頻率截止。接下來介紹截止頻率為100Hz的電路設(shè)計(jì)，100Hz截止電路與50Hz截止電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一樣，只

44、是電路中的電容值有區(qū)別。具體仿真圖分為電路圖與波形輸出圖，如圖5.2所示：圖5.2 截止頻率為100Hz的仿真電路圖從上圖中可以看出，利用仿真軟件里的控件XFG1為信號頻率發(fā)生器，XBP1為信號示波器，此電路設(shè)計(jì)是產(chǎn)生截止頻率為100Hz的低通濾波器，要給運(yùn)放接正負(fù)兩個(gè)電源供電，各電阻電容值分別為：R1=R2=10K，C1=110nF，C2=51nF，從圖5.2中可以看出XBP1波特測試儀的截止頻率為99.16Hz(理論為100Hz)，從波形圖中可以看出超出99.16Hz后，明顯出現(xiàn)頻率截止。最后介紹截止頻率為1KHz的電路設(shè)計(jì)，同樣1KHz的電路設(shè)計(jì)與50Hz和100Hz的電路設(shè)計(jì)一樣，區(qū)別

45、在于電容C1與C2的容值不同，具體仿真圖分為電路圖與波形輸出圖，如圖5.3所示：圖5.3 截止頻率為1KHz的仿真電路圖從上圖中可以看出，利用仿真軟件里的控件XFG1為信號頻率發(fā)生器，XBP1為信號示波器，此電路設(shè)計(jì)是產(chǎn)生截止頻率為1KHz的低通濾波器，要給運(yùn)放接正負(fù)兩個(gè)電源供電，各電阻電容值分別為：R1=R2=10K，C1=15nF，C2=7.5nF，從圖5.3(a)中可以看出XBP1波特測試儀的截止頻率為1008Hz（理論為1000Hz），從波形圖中可以看出超出1008Hz后，明顯出現(xiàn)頻率截止。5.2 實(shí)物調(diào)試本設(shè)計(jì)的硬件部分通過調(diào)試，在調(diào)試過程中遇到很多問題，由于本電路是自己焊的，所以電

46、路容易出現(xiàn)某根線斷了的情況，本已經(jīng)測試好的電路不得不重新查找問題。系統(tǒng)工作的過程是程序在Keil軟件中調(diào)試通過并下載到單片機(jī)中，將電源通過變壓器接入電源電路，然后通過按鍵選擇截止頻率不同的電路，下圖展現(xiàn)的就是電路在實(shí)際工作中的圖片，可以看出液晶上顯示了模式與截止頻率，濾波電路輸入端連接信號發(fā)生器，通過信號發(fā)生器輸出的信號作為濾波電路的信號來源，然后將輸出端連接示波器，通過示波器所顯示的波形來判斷濾波電路對信號的處理性能，實(shí)際圖如圖5.4所示：圖5.4 實(shí)際電路圖從上圖中可以看出，左上側(cè)的為變壓器作用是把接入的220V交流電變?yōu)?2V輸出的直流電，然后將12V直流電接入到電源電路中的12V接入端

47、，通過電源電路的轉(zhuǎn)換就可得到正負(fù)5V的電壓，通過這個(gè)正負(fù)電壓可以為運(yùn)放、單片機(jī)等進(jìn)行電源供電，在圖左側(cè)為單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，在其旁邊的是顯示液晶和控制按鍵，通過杜邦線將其與單片機(jī)進(jìn)行連接，其余部分為電壓跟隨器、CD4051模擬開關(guān)和二階濾波電路。本系統(tǒng)是程控低通濾波器的設(shè)計(jì)，具體的實(shí)物電路要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能一個(gè)就是低通濾波電路的功能，另一個(gè)就是利用同樣的這個(gè)電路實(shí)現(xiàn)不同的截止頻率濾波設(shè)計(jì)?；谝陨系墓δ芤?，在進(jìn)行具體的實(shí)物電路調(diào)試時(shí)采用設(shè)置固定的一個(gè)頻率然后利用信號發(fā)生器將不同的信號頻率輸入到濾波電路中，然后利用示波器進(jìn)行波形的觀察。首先，利用按鍵選擇截止頻率50Hz的程控低

48、通濾波電路，經(jīng)過調(diào)試得到阻帶的截止頻率為65Hz，將30Hz、100Hz的信號頻率通過濾波電路進(jìn)行示波器觀察，具體的波形圖如圖5.5(a)、圖5.5(b)所示。通過示波器的波形圖可以看出30Hz的信號頻率通過程控濾波電路后沒有任何變化，信號的幅度值與信號波形都沒有損失，說明30Hz信號成功通過了截止頻率為50Hz的低通濾波電路。100Hz的信號頻率通過程控濾波電路后發(fā)生了一些變化，信號的幅度值被削減變小，說明100Hz信號通過截止頻率為50Hz的低通濾波電路時(shí)發(fā)生了截止，信號不能完全通過低通濾波電路。圖5.5(a) 30Hz信號頻率波形圖圖5.5(b) 100Hz信號頻率波形圖然后，利用按鍵選

49、擇截止頻率100Hz的程控低通濾波電路，經(jīng)過調(diào)試得到阻帶的截止頻率為120Hz，將30Hz、200Hz的信號頻率通過濾波電路進(jìn)行示波器觀察，具體的波形圖如圖5.6(a)、圖5.6(b)所示：通過示波器的波形圖可以看出100Hz的信號頻率通過程控濾波電路后沒有任何變化，信號的幅度值與信號波形都沒有損失，說明100Hz信號成功通過了截止頻率為100Hz的低通濾波電路。200Hz的信號頻率通過程控濾波電路后發(fā)生了一些變化，信號的幅度值被削減變小，說明200Hz信號通過了截止頻率為100Hz的低通濾波電路時(shí)發(fā)生了截止，信號不能完全通過低通濾波電路。圖5.6(a) 30Hz信號頻率波形圖圖5.6(b)

50、200Hz信號頻率波形圖最后，利用按鍵選擇截止頻率1KHz的程控低通濾波電路，經(jīng)過調(diào)試得到阻帶的截止頻率為1100Hz，將200Hz、2KHz的信號頻率通過濾波電路進(jìn)行示波器觀察，具體的波形圖如5.7(a)、5.7(b)所示：通過示波器的波形圖可以看出200Hz的信號頻率通過程控濾波電路后沒有任何變化，信號的幅度值與信號波形都沒有損失，說明200Hz信號成功通過了截止頻率為1000Hz的低通濾波電路。接下來我們將2KHz的信號輸入到截止頻率為1KHz的程控濾波電器中。通過示波器的波形圖可以看出200Hz的信號頻率通過程控濾波電路后發(fā)生了一些變化，信號的幅度值被削減變小，說明200Hz信號通過了

51、截止頻率為100Hz的低通濾波電路時(shí)發(fā)生了截止，信號不能完全通過低通濾波電路。圖5.7(a) 200Hz信號頻率波形圖圖5.7(b) 2KHz信號頻率波形圖5.3 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)中軟件方面的設(shè)計(jì)，首先介紹了單片機(jī)編程時(shí)所需的C語言、Keil編譯器。其次介紹了采用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真。最后介紹了實(shí)物與信號發(fā)生源、示波器連接，對硬件實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行測試，展示了各個(gè)頻率通過低通濾波電路后的波形圖并進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)束語本設(shè)計(jì)是基于AT89LV52單片機(jī)的程控低通濾波器系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，該款單片機(jī)片上資源豐富、功耗非常低選用這款單片機(jī)芯片讓以后的產(chǎn)品升級有了保證，為以后的功能擴(kuò)展提

52、供了空間。在經(jīng)過了兩個(gè)多月的時(shí)間后，設(shè)計(jì)完成了預(yù)期的功能指標(biāo)包括二階低通濾波電路的設(shè)計(jì)、選擇不同截止頻率濾波電路、程控濾波電路、液晶顯示電路等設(shè)計(jì)要求。整個(gè)系統(tǒng)其具有很現(xiàn)實(shí)的市場需要及使用價(jià)值，在電路設(shè)計(jì)層面上它有著功能齊全、設(shè)計(jì)穩(wěn)定、整體系統(tǒng)運(yùn)行很好的優(yōu)點(diǎn)。它集模擬電路技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)于一身，具備了以往濾波電路系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。具體表現(xiàn)如下：1、系統(tǒng)可以選擇不同的截止頻率。電路通過讀入控制按鍵的方式來執(zhí)行與按鍵對應(yīng)的截止頻率的濾波電路，從而實(shí)現(xiàn)不同的截止頻率。2、系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同的截止頻率濾波電路。電路運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)通過與模擬電子開關(guān)CD4051的通道選擇引腳相連，繼而輸出不同的命令實(shí)現(xiàn)不

53、同的通道導(dǎo)通，然后不同數(shù)值的電容就會接入進(jìn)電路，與運(yùn)放電路等實(shí)現(xiàn)不同的截止頻率低通濾波電路。3、利用液晶顯示當(dāng)前電路的工作模式及截止頻率。單片機(jī)通過與LCD相連，把當(dāng)前工作電路的截止頻率與工作模式顯示出來，便于人們觀察。設(shè)計(jì)的不足和展望：1、由于各方面的限制，本系統(tǒng)還存在很多不完善之處，有待于繼續(xù)改進(jìn)和完善。比如說可以把電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓低通濾波電路的截止效果更明顯、性能更好。2、本設(shè)計(jì)只是基于程控低通濾波器系統(tǒng)自身進(jìn)行設(shè)計(jì)，還可以在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改進(jìn)，增加更多的功能讓整個(gè)系統(tǒng)更加豐富、更具競爭力，這些方面還有待進(jìn)一步的研究。這次的設(shè)計(jì)從最初方案的討論設(shè)計(jì)到軟硬件的不斷調(diào)試，付出了很大的努

54、力，全身心的投入到其中。在設(shè)計(jì)過程中遇到許多許多的困難，但最終還是堅(jiān)持了下來，最終設(shè)計(jì)按要求完成了，回想過程雖然辛苦，但讓我獲益良多。參考文獻(xiàn)1 常新華，王洪剛，于永江，馬秋明.一種程控放大濾波設(shè)計(jì)J.四川師范大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)報(bào).2013.05:27-39.2 羅建，程浩，馬定坤，白鑫.一種低功耗程控濾波器的設(shè)計(jì)J.西北工業(yè)大學(xué).航海學(xué)院.2012.07:22-56.3 張新娜，毛潤舜，吳英敏.振動信號檢測可程控濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用J.中國計(jì)量學(xué)院.2012.07: 35-62.4 程強(qiáng)，黃余.一種基于片上系統(tǒng)的程控濾波器實(shí)現(xiàn)研究J.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院.2011.01:29-70.5 張毅剛等.MSC-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M.黑龍江.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997:204-210.6 (日）遠(yuǎn)坂俊昭.測量電子電路設(shè)計(jì)濾波器篇M.北京：科學(xué)出版社，2006：45-59.7 重詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2001.120-156.8 Jouko Vankka,Mikko Waltari,Marko Kosunen,et al.A Direet Synthesizer with an On-Chip D/A-Converter.IEEE Journal of Solid-State Cireuits,1998,33(2) :218-226.9 何明，喬龍