D程控滤波器的设计.doc

程控滤波器的设计（D题） 摘 要:随着电子科学技术的迅速发展，滤波器系统也要求有新的设计思想和观点，使系统能在可行的条件下得以实现，而且其功能也达到更高的指标。51单片机为控制核心，由信号模块、模块以及测试信号发生模块组成。总体设计方案 1. 1系统总体设计思路 1所示。 图1 总体框图 1. 2方案论证与比较 1）测量放大部分方案 方案一：直接采用高精度OP放大器接成的悬置电桥差动放大器。如图2，此方案的特点是电路简单，实现起来对结构工艺的要求不高，但是其输入阻抗低、共模抑制比、失调电压和失调电流等参数受到放大器本身性能限制不易进一步提高，且无法抑制放大器本身的温漂。 图2 悬置电桥差动放大器 图3 结型场效应管输入型测量放大电路 方案二：在方案一的基础上，在输入级加设结型场效应管。如图3，该方案和方案一相比提高了输入阻抗和降低噪声，但存在的共模抑制比、失调电压和失调电流等参数受限的问题未能有效解决，且分立元件将导致调试工作复杂，可靠性下降。 方案三：选用高输入阻抗低噪声集成运放NE5534。如图4，选用NE5534，接成两极同相运算放大电路，可大大提高了差模输入阻抗和共模抑制比。NE5534加上的电压，放大倍数的计算公式为 本设计选择方案三。 图4 集成运放NE5534接成两极同相运算放大电路 （2）信号滤波方法 方案一 数字滤波法。数字滤波是信号滤波所常的方法,将模拟信号转变为数字信号, 进行数字滤波后再恢复原信号。这种方法理论上可以设计任意的滤波特性，可达到很高的精度，但要涉及较高的技术水平,实现难度较大。 方案二：采用单级模拟低通滤波。由运放、电阻、电容组成单级低通滤波器。此方法原理简单，有现成的公式可套，但单级滤波的截止频率较难控制，频率选择性差，滤波效果不好好差，输出波形有较大失真。 方案三：采用多级巴特沃兹滤波器模拟低通滤波。巴特沃兹滤波器具有平坦的通带，把多个低通滤波器级联起来，滤波效果显著提高，输出波形失真小。 因此选择方案三。 （3）显示器的选择 方案一：采用8位段数码管，将单片机得到的数据通过数码管显示出来。该方案简单易行，但所需的元件较多，且不容易进行操作，可读性差，一旦设定后，很难再加入其他的功能。 方案二：采用液晶显示系统，将得到的数据通过液晶系统显示。该方案所需液晶器件可由厂家提供，并且可用软件进行调制，对后续的功能兼容性高，只需将软件作修改即可， 可操作性强，也易于读数。但成本相对一来说较高。 方案三：将结果通串口接入电脑，在电脑中编制程序，通过软件将数据转化成图形数字界面。该方案在数据的处理上比方案二直观，可增加较多的扩展功能。但不便于携带，可移动性不如方案二。 综上所述，我们采用了第二个方案，即采用液晶显示系统。 2 硬件电路设计 2.1电源电路设计 本方案的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、单电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件。输出电路由+15V稳压供给，从而大大提高了电压调整率和负载调整率等指标。所有的集成稳压器件根据功耗均安装有充分裕量的散热片。如图5所示。  图 5 电源电路 2.2单片机最小系统电路 由MCS—51系列的单片机和一些键盘及LCD显示构成了单片机最小系统，以完成单片机控制、显示和人机接口功能。如图6所示。 图 6 单片机最小系统电路 2.3巴特沃兹滤波电路 用通过单片机控制模拟开关CD4051/4052的电阻匹配，设置滤波的截止频率，题目要求能够实现高通和低通的转换，即低通滤波器（高通滤波器）的-3dB截止频率在1kHz—20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。低通滤波器的模块电路如图7所示，高通滤波器的模块电路如图8所示。 图 7 低通滤波器 图8高通滤波器 3.主要电路的参数计算 程控放大部分 本设计以NE5532为中心，对输入信号进行前端放大。当输入信号≤50mV，输出功率可以达到6W以上，带宽可以达到40KHz至几百KHz。电源部分为整个系统提供稳定的15V电压。整个设计简单，元器件均为市场上容易购的产品。放大倍数要求可调，第一级放大20倍，第二级放大100倍。 滤波器参数的计算。 表1 低通滤波器参数 表2高通滤波器的参数 K 10 5 3.3 2.5 10 8.33 7.14 6.25 10 9 R1（k） 18.21 9.11 6.01 4.55 18.21 15.17 13.00 11.38 18.21 16.39 R2（k） 13.91 6.955 4.5903 3.48 13.91 11.59 9.93 8.69 13.91