設(shè)計(jì)要求

　　當(dāng)輸入信號(hào)幅度變化時(shí)，通過前級(jí)的程控增益放大模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的控制，終使輸出信號(hào)幅度基本保持穩(wěn)定；而對(duì)于輸入信號(hào)頻率的改變，借助單片機(jī)可編程濾波器芯片的同時(shí)，用簡單的外圍期間來輔助，采用編程數(shù)據(jù)來完成RC網(wǎng)絡(luò)的切換，通過單片機(jī)變成對(duì)各種低頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)通、高通（帶通、帶阻以及全通）濾波處理，而且濾波的特性參數(shù)，如中心頻率、品質(zhì)因數(shù)等也可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行設(shè)置，提高了濾波器的性能和指標(biāo)的同時(shí)，也有效避免了傳統(tǒng)有源濾波器電路濾波特性參數(shù)不高、電路復(fù)雜、設(shè)計(jì)和調(diào)試麻煩等問題，可以很好的應(yīng)用于信號(hào)頻率及幅度在寬范圍內(nèi)變化的場(chǎng)所，操作方便，性能優(yōu)良。

　　本次設(shè)計(jì)一個(gè)程控濾波器，放大器增益可設(shè)置，低通或高通濾波器通頻帶，截止頻率等參數(shù)可設(shè)置。濾波器為有源濾波器，并可按一定程序設(shè)置通頻帶及截止頻率等。

　　設(shè)計(jì)方案

　?。?）增益控制

　　采用精密數(shù)字電位器和儀表放大器AD620連接通過改變數(shù)字電位器的阻值來實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)，可以的調(diào)節(jié)增益且高。此方案可以較的控制電壓增益，便于單片機(jī)控制，同時(shí)降低干擾和噪聲，滿足設(shè)計(jì)要求，但成本較高。符合設(shè)計(jì)要求。

　?。?）濾波模塊

　　通過單片機(jī)對(duì)現(xiàn)有的集成的截止頻率可調(diào)的濾波器來實(shí)現(xiàn)題目的要求。實(shí)現(xiàn)起來高，且易于調(diào)試。通過單片機(jī)對(duì)MAX270（up程控濾波芯片）進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

　?。?）橢圓濾波器模塊

　　采用集成的開關(guān)電容濾波芯片。由于此種芯片濾波器的截止頻率由外部時(shí)鐘決定，只要有一個(gè)穩(wěn)定的外部時(shí)鐘，濾波器的截止頻率是可以保證的，同時(shí)，為了校準(zhǔn)元件誤差，可以通過時(shí)鐘頻率的微調(diào)來改變?yōu)V波器的截止頻率，從而使其準(zhǔn)確的達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　（4）幅頻特性測(cè)試儀模塊

　　采用DDS產(chǎn)生掃頻信號(hào)，利用真有效值測(cè)量芯片AD637和A/D接口電路實(shí)現(xiàn)到頻信號(hào)頻率的步進(jìn)調(diào)整及被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的數(shù)顯。DDS產(chǎn)生信號(hào)的頻率穩(wěn)定度較高，而且信號(hào)頻率的步進(jìn)和信號(hào)幅度的控制比較方便。

　　（5）鍵盤控制及顯示模塊

　　采用按鍵和LCD顯示來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的增益、截止頻率的適時(shí)調(diào)節(jié)和顯示的操作界面。

　　終系統(tǒng)框圖如圖2-1所示：

　　理論分析與計(jì)算

　　（1）AD620增益控制實(shí)現(xiàn)

　　可控增益放大器部分是以AD620作為器件，實(shí)現(xiàn)0～60 dB之間的增益調(diào)節(jié)。AD620為低噪聲精密可變?cè)鲆娣糯笃?，溫度穩(wěn)定性高，其內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯形網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量由加在增益控制接口的參考電壓決定；其增益與控制電壓呈線性關(guān)系，通過單片機(jī)控制，而由D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的參考電壓來控制增益，從而實(shí)現(xiàn)較的數(shù)控，同時(shí)可降低干擾和噪聲。程控濾波器部分采用開關(guān)電容濾波器實(shí)現(xiàn)。開關(guān)電容濾波器是由MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運(yùn)算放大器構(gòu)成的集成濾波器，其開關(guān)電容組在時(shí)鐘頻率的驅(qū)動(dòng)下，可等效成1只與時(shí)鐘頻率有關(guān)的等效電阻 R=1/2πC fc。其中C為開關(guān)電容組的電容，fc為濾波器時(shí)鐘頻率。 增益計(jì)算：

　　放大模塊的電路如圖2-3所示，該部分是由儀表放大器AD620和模擬開關(guān)CD4051共同組成三級(jí)放大電路來實(shí)現(xiàn)的，通過調(diào)節(jié)AD620的1腳和8腳之間的電阻值來改變電壓增益，電壓增益為10dB到60dB。

　　式中G為放大倍數(shù)，Gr為控制增益的電阻。

　?。?）MAX270濾波器截止頻率實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)采用濾波器MAX270實(shí)現(xiàn)低通濾波器。 MAX270包含兩個(gè)二階低通濾波器（過度帶頻率響應(yīng)斜率近視為-40dB/十倍頻程）可分別程控，截止頻率1KHz—25KHz，96dB動(dòng)態(tài)范圍，不需要連接外部元件，可級(jí)聯(lián)，具有低功耗的關(guān)斷模式。通過7位寄存器（D0—D6）發(fā)出的數(shù)據(jù)改變二階低通濾波器的兩個(gè)電容值從而改變電路的截止頻率fc（Cutoff frequencies）1KHz到25KHz共分128檔。

　?。?）橢圓濾波器的設(shè)計(jì)

　　四階橢圓低通濾波器相當(dāng)于兩級(jí)二階低通濾波電路的的組合。其傳遞函數(shù)為：

　　我們采用橢圓形歸一化LPF的設(shè)計(jì)方法，選擇帶內(nèi)起伏量為1.0db阻帶頻率為通帶頻率的4.0倍。帶內(nèi)起伏量為1db時(shí)，阻帶內(nèi)有一個(gè)限波點(diǎn)的橢圓型歸一化LPF的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表2-1所示。

　?。?）幅頻特性測(cè)試模塊

　　AD9851由DDS產(chǎn)生0～200 kHz范圍內(nèi)的掃頻信號(hào)，DDS產(chǎn)生信號(hào)的頻率穩(wěn)定度較高，而且信號(hào)的頻率步進(jìn)和信號(hào)幅值控制方便。DDS以Nyquist時(shí)域采樣定理為基礎(chǔ)，在時(shí)域中進(jìn)行頻率合成。DDS的基本工作原理：每個(gè)參考頻率fs上升沿到來時(shí)，N位的相位累加器值便按照頻率控制字K的長度增加，輸出所得相位值，正弦查找表將相位信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的正弦幅度值。在fs和N一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字K決定。以一定步進(jìn)循環(huán)增加頻率控制字K，輸出頻率變化的掃頻信號(hào)。

　　掃頻信號(hào)通過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后，由AD637檢測(cè)有效值，即利用各個(gè)頻點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)后的有效值在示波器上顯示其幅頻特性圖。AD637的外圍電路簡單，而且當(dāng)輸入峰峰值大于2 V時(shí)，其測(cè)量誤差在100 Hz～1 MHz的范圍內(nèi)可忽略。

　　DDS原理框圖，幅頻特性測(cè)試模塊原理框圖如圖2-2：

　　硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要采用精密放大器AD620和MAX270，以及單片機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)。

　　1、放大器模塊

　　AD620特性：放大倍數(shù)可設(shè)置為1～1000倍，低價(jià)格、低功耗、高儀表放大器。它體積小，為8管腳的SOIC或DIP封裝；供電電源范圍為±2.3V～±l8V；供電電流僅為1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的輸入失調(diào)電壓為5OμV，輸入失調(diào)電壓漂移為lμV/。C，輸入偏置電流為2.0nA。G=10時(shí)，其共模抑制比大于93dB 。在1kHz處輸人電壓噪聲為9nv／（Hz）1/2，在0.1Hz～10Hz范圍內(nèi)輸人電壓噪聲的峰--峰值為0.28μV，輸入電流噪聲為0.1pA/（Hz）1/2 ，G=l時(shí)它的增益帶寬為120kHz，建立時(shí)間為15μs。

　　其引腳如圖3-1：

　　放大器模塊電路如圖3-2所示：

　　2、單片機(jī)控制濾波器模塊

　　通過AT89S52單片機(jī)控制二階低通程控濾波器MAX270，來完成低通濾波器的設(shè)計(jì)。

　　a、AT89S52單片機(jī)

　　AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

　　引腳及功能：

　　P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。

　　P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0和P1.1分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。

　　引腳號(hào)第二功能：

　　P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入）時(shí)鐘輸出

　　P1.1 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）

　　P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）

　　P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）

　　P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）

　　P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時(shí)，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。

　　P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。

　　端口引腳 第二功能：

　　P3.0 RXD（串行輸入口）

　　P3.1 TXD（串行輸出口）

　　P3.2 INTO（外中斷0）

　　P3.3 INT1（外中斷1）

　　P3.4 TO（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0）

　　P3.5 T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1）

　　P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）

　　P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

　　此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。

　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。

　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。

　　PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次PSEN信號(hào)。

　　EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

　　XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。

　　XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

　　b、MAX270

　　主要性能：包含兩個(gè)二階低通濾波器（過度帶頻率響應(yīng)斜率近視為-40dB/十倍頻程）可分別程控，截止頻率1KHz—25KHz，96dB動(dòng)態(tài)范圍，不需要連接外部元件，可級(jí)聯(lián)，具有低功耗的關(guān)斷模式。通過7位寄存器（D0—D6）發(fā)出的數(shù)據(jù)改變二階低通濾波器的兩個(gè)電容值從而改變電路的截止頻率fc（Cutoff frequencies）1KHz到25KHz共分128檔。

　　引腳功能：

　　SHDN：關(guān)斷控制，低電平時(shí)，OUTA，OUTB和OP OUT以及配置驅(qū)動(dòng)均被關(guān)斷； WR：寫控制輸入，低電平是，將數(shù)據(jù)D0-D6寫入由地址A0選擇的程序存儲(chǔ)器中，高電平時(shí)數(shù)據(jù)關(guān)斷；

　　CS：片選輸入，低電平有效；

　　A0：三態(tài)地址輸入邏輯高電平，選擇濾波器A，邏輯低電平，選擇濾波器B； D6-D7：7位數(shù)據(jù)輸入。

　　濾波模塊的電路如圖3-5所示，途中74HC373為八D鎖存器，當(dāng)LE為高電平時(shí)，單片機(jī)控制地址和數(shù)據(jù)的信號(hào)被鎖存在鎖存器中，當(dāng)LE轉(zhuǎn)為低電平時(shí)鎖存器打開，同時(shí)WR變?yōu)榈碗娖娇刂菩盘?hào)送入MAX270。通過控制MAX270的四條地址線A0-A3、兩條數(shù)據(jù)線D0、D1和一條允許控制線WR對(duì)MAX270進(jìn)行控制。

　　其引腳圖如圖3-4：

　　3、操作及顯示模塊

　　利用單片機(jī)控制鍵盤顯示器8279、可編程計(jì)數(shù)器8254、可編程有源濾波器MAX270。其中8254是3通道16位可編程計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率可達(dá)10 MHz，可向MAX262提供的時(shí)鐘頻率fclkA和fclkB。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　1、開發(fā)軟件及環(huán)境簡介

　　通過使用Keil軟件進(jìn)行前期仿真調(diào)試，通過后進(jìn)行實(shí)際電路的連接，并進(jìn)一步對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，用Proteus設(shè)計(jì)電路。 4.1.1 Keil

　　Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。

　　Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)語言的優(yōu)勢(shì)。

　　Keil的特點(diǎn)：

　　1）全功能的源代碼編輯器

　　2）器件庫用來配置開發(fā)工具設(shè)置

　　3）項(xiàng)目管理器用來創(chuàng)建和維護(hù)用戶的項(xiàng)目

　　4）集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應(yīng)用

　　5）所有開發(fā)工具的設(shè)置都是對(duì)話框形式的

　　6）真正的源代碼級(jí)的對(duì)CPU和外圍器件的調(diào)試器

　　7）的GDI（AGDI）接口用在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和Monitor-51進(jìn)行通信。

　　本次設(shè)計(jì)的匯編語言編程環(huán)境就是Keil，由它和仿真軟件Proteus關(guān)聯(lián)，進(jìn)行單片機(jī)的仿真和調(diào)試。

　　Proteus

　　Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。

　　Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：mulTIsim）的功能。這些功能是：

　　1）原理布圖

　　2）PCB自動(dòng)或人工布線

　　3）SPICE電路仿真 革命性的特點(diǎn)：

　　1．互動(dòng)的電路仿真

　　用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

　　2、仿真處理器及其外圍電路

　　可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型。

　　上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。

　　系統(tǒng)主要程序

　　程序流程圖如圖4-1所示

　　（1）增益控制程序