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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流程控低通滤波器的设计设计.精品文档.本科学生毕业设计程控低通滤波器的设计 院系名称： 电气与信息工程学院 专业班级： 电子信息工程11-2班 学生姓名：马恒坤 指导教师： 刘静森 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一五年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Program Controlled Low Pass FilterCandidate：Ma HengkunSpecialty：Electronic Information EngineeringClass：
2、11-2Supervisor：Associate Prof. Liu JingsenHeilongjiang Institute of Technology2015-06Harbin摘 要本设计是基于单片机的程控低通滤波器系统方案的设计思想和实现方法。系统以高性能、低成本AT89LV52为核心控制器配合CD4051模拟开关实现程序控制选择滤波电路的设计方法。利用LM358AD运算放大器设计两个电压跟随器,利用其输入阻抗高等特点实现频率信号的缓冲与隔离干扰的作用，然后让信号输入运放的正相端，利用LM358AD实现同相输入的压控电压源二阶低通滤波电路，最后将滤波的结果用液晶进行显示。本设计首先简单
3、介绍了程控低通滤波器的发展现状，结合系统设计方案的要求，详细论证了实现二阶低通滤波器方案的设计思路及系统的总体架构。然后，详尽地阐述了系统的硬件电路结构和完成各项功能相关的软件设计。最后，利用Multisim软件进行了电路仿真。系统结构简单，可靠性高，功能易扩展，适用于多种应用领域。关键字：AT89LV52；模拟电子开关；LM358AD；滤波器；MultisimABSTRACTThis design is the design idea and realization method of the programmable low pass filter system scheme based
4、on MCU. The system takes the AT89LV52 as the 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 impeda
5、nce and LM358AD operational amplifier, achieve 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
6、 the filter are displayed with LCD.The subject 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 structu
7、re and the software design of the system in 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 Electron
8、ic Switch; LM358AD;Filter; Multisim目 录摘要IAbstractII第1章 引言11.1 课题研究目的和意义11.2 国内外研究现状和发展趋势11.3 各章节主要内容2第2章 整体方案设计42.1 系统设计的需求42.2 系统方案的选择42.3 本章小结6第3章 硬件设计73.1 微控制器电路设计73.2 低通滤波电路设计83.3 显示控制电路设计103.4 电源电路设计113.5 本章小结11第4章 软件设计134.1总体程序设计134.2 程控通道程序设计154.3 按键去抖动程序设计154.4 本章小结17第5章 仿真与测试185.1 Multisim电
9、路仿真185.2 实物调试215.3 本章小结26结束语27参考文献28致谢30附录31第1章 引 言1.1 研究目的和意义本次课题的目的是设计一个程控低通滤波器系统，设计该系统是为了让技术人员可以在对信号进行滤波处理时能够可以选择截止频率从而方便人员工作。应用本系统到实际的工程环境中效果将会是十分显著的，通过按键的方式进行截止频率的选择，单片机在接收到按键信号会给模拟开关相应的命令，然后信号就会通过有不同截止频率值的功能电路。本次设计程控低通滤波器系统包含单片机最小系统、压控电压源二阶低通滤波器设计、电源电路、LCD显示控制电路，工作人员通过液晶显示的数值得知当前电路的截止频率。低通滤波器是
10、信号学科中非常重要的一个设备，也是在学生学习与科研应用最多的一个机器，甚至可以说它的方便化、智能化、高性价比是实验设备一直不断追求的指标。在电子学科中对实验仪器的要求是很严格的，而在所有的设备中滤波器的设计应该是最难的一种了，曾也有人说滤波器的不断发展就是电子工业不断发展的一个缩影，所以滤波器的设计是各个国家在科研投入上最注重的一块。在工程项目中考虑到实际的现场中需要对多信号进行不同的截止滤波的情况，就需要使用到不同的截止频率的滤波器，同时在使用操作上不能过于复杂，滤波器的简单方便应用可以让在工作的人员更加快速地完成自己的相关实验或者是信号系统的工程建设，利用单片机程序控制的方式去切换不同的截
11、止频率可以非常好地方便工作人员。随着国家不断飞速的发展，在信号处理领域已从过去的极度落后中脱离出来，现在正在逐渐追赶发达国家在这方面的发展程序，甚至在某些层次上我国的技术已站在世界科学技术的前沿。在这种趋势下，一些基础的实验设备也要有相应的不断进步与更新，使其可以更好地服务科研人员进行科学研究。低通滤波器作为最基本的实验设备，它的相应功能的改善和增强是基础设备更新必须优先进行的一个关键步骤。需要工程技术人员在信号处理领域把最具代表性的滤波器做好、做强，所以本课题所设计的低通滤波器是有着很重要的现实意义的。1.2 国内外现状和发展趋势回顾整个电子工业的快速发展可以发现，滤波器在其中扮演着非常重要
12、和突出的角色，它是工程技术人员使用次数最多、出现频率最高的仪器设备1。在上世纪初德国的科学家首次成功制作了LC滤波器，在其后的几十年内这种基于电感、电容、电阻的滤波器越来越成熟，后来工程人员将这类滤波器统称为无源滤波器。60年代计算机技术获得了飞速的发展，借助于各种新技术例集成工艺大大进步、工程材料复合型越来越多使得滤波器的设计也发生了非常大的变化。这时人们已不在满足于过去的设计方法，而是朝着让性价比越来越高、占地面积越来越小、精度越来越高、功能越来越多的方向发展。70年代伴随运算放大器的产生，人们设计出了RC有源滤波器、而后又发明了数字滤波器等多种多样类型的滤波器，这时进入滤波器发展的最快速
13、发展时期。而后伴随着集成技术的飞速发展，人们设计出了单片集成方式的滤波器。这时滤波器的设计趋于稳定，重点发展方向变为提高设备的性能和增加滤波器的使用领域。在现代科技领域人们对于滤波器的发展主要是结合的实际产品的开发2,3。本课题所设计的程控低通滤波器就是根据这样的背景而产生的。滤波器在我国的使用也已很长的时间了，在最早期50年代时我国的滤波器设计技术是非常落后的，基本上都是由外国科技人员掌握着相关技术4。在后来随着我国国家实力和科技能力的逐渐强大，在国家对科研的重视程度也越来越加强的情况下，国内的滤波器设计技术也逐渐进步。现在我国在滤波器方面的研制和制造方面已很成熟，能够满足于常规情况下的所有
14、技术要求。但在尖端领域内，我国在新型滤波器的设计研发上和国外发达国家还有一定的差距，相信随着国家的不断进步，人才的不断培养，在以后一定会达到和发达国家一样的先进科技水平。滤波器按处理的信号类型来区别的话，可以分为模拟滤波器与离散滤波器两种。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器可分为数字、取样模拟、混合三个分类。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5,6。本次课题设计的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，对于不同的频率输入信号很有必要采用多种截止频率的滤波器，用程控方法实现不同的截止频率滤波电路设计就是程控滤波器。1
15、.3 本设计主要研究内容本课题是以AT89LV52单片机为核心控制器，通过电压跟随器隔离输入信号与低通滤波器这二者前后级之间的影响，单片机通过引脚控制CD4051模拟开关，继而选择不同截止频率的低通滤波电路接通的电容值，通过LM358运放和电容值构成有源二阶低通滤波器7，最后利用LCD将截止频率值进行显示。预期达到的目标（1）整个程控低通滤波器的设计分为50Hz、100Hz、1KHz三种截止频率；（2）接入到电路中的不同电容，与LM358运放构成滤波电路；（3）单片机控制着模拟开关，使得不同的电容通过触发按键接入到电路中，按下KEY0，截止频率为50Hz；按下KEY1，截止频率为100Hz；按
16、下KEY2，截止频率为1KHz。（4）选择的电路模式和截止频率要通过LCD液晶进行显示。本设计主要研究内容如下：第2章主要介绍了系统设计的需求，给出了整体设计方案。第3章主要介绍了硬件的部分，包括单片机核心控制电路、电压跟随器、有源二阶低通滤波电路、程控CD4051模拟开关和LCD液晶显示。第4章主要首先介绍总体系统的设计流程，然后详细介绍怎样通过单片机进行程控通道的选择，而后介绍了怎样用程序软件解决按键的抖动问题。第5章主要是程序的调试，运用Multisim软件进行电路的仿真，并描述了实物调试的过程。第2章 整体方案设计2.1 系统设计的需求本课题设计的是程控低通滤波器的设计与实现，具体需要
17、实现的要求是单片机可以通过按键的方式控制模拟开关CD4051，从而使滤波电路接入不同的电容值，这样就可以改变滤波电路的不同截止频率，然后通过LCD液晶显示的方法显示出截止频率是多少，选择的是哪种模式8。具体的实现如下：(1)接入到电路中的不同电容，与LM358运放构成滤波电路；(2)单片机控制着模拟开关，使得不同的电容通过触发按键接入到电路中，从而生成不同截止频率的滤波电路9；(3)整个程控低通滤波器的设计分为50Hz、100Hz、1000Hz三种截止频率；(4)选择的电路模式和截止频率要通过LCD液晶进行显示。2.2 系统方案的选择根据系统设计需求可知，系统要能够具备低通滤波器的能力，同时要
18、能够改变滤波电路的截止频率实现三个模式的转换，还要做到防止信号在电路中被干扰的事情，而后需要通过LCD液晶进行实时显示10。方案一：采用无源LC滤波器。利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器，该方案具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易的设计出理想的滤波器11,12。方案二：采用集成运放结合电阻R、电容C形成有源滤波电路，这样电路结构简单，所需元件少、性价比高，且电路输入阻抗高、输出阻抗低，可以在阻带实现很大的衰减13,14。在这种有源滤波电路设计的基础上结合单片机技术通过软件程序的方式去实现不同数值电阻电容接入同一个滤波电路，
19、实现这样的设计除了单片机之外还要利用模拟开关CD4051进行不同通道不同电容值的切换15。利用LM358AD运算放大器设计两个电压跟随器利用其输入阻抗高等特点实现频率信号的缓冲与隔离干扰的作用，然后让信号输入运放的正相端，利用LM358AD实现同相输入的压控电压源二阶低通滤波电路15,16，最后将滤波的结果用液晶进行显示。虽然方案一具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于现代器件设计中，但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器17。与无源滤波器相
20、比，有以下特点：（1）不仅能补偿各次谐波，还可以补偿无功，抑制变动，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；（2）滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；（3）具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点18。通过方案一与方案二的对比可以看出，方案二能够很好地实现此次课题设计的所有功能要求，在电路设计中也要比方案一简单，实现的效果也比方案一更好，所以本次设计最终选用方案二。其设计的整体框图如图2.1所示：图2.1 系统框图根据上图可以看出，单片机电路是整个系统的核心控制部分17，整个过程分为两个部分，第一部分是信号滤波环节，首先通过信号源给
21、出相应的信号波形，然后进入电压跟随器目的是实现前后级电路的隔离避免干扰，通过电压跟随器后进入由电阻、电容、运放构成的有源二阶低通滤波器19，经过滤波器处理后的信号再次进入到电压跟随器随后由示波器观察截止滤波后得到的信号波形；第二部分在单片机控制单元，这里主要实现程控低通中不同截止频率的选择。首先是通过按键的方式选择相应的模式即截止频率数值，然后单片机接收到命令后通过引脚高低电平的不同分配去控制模拟开关CD4051的不同通道选择20，电路中一共用到两个模拟开关，第一个开关是选择正相输入端的接入电容，第二个开关是选择反馈单元中的接入电容21。通过不同电容值的接入就可以实现不同截止频率的滤波电路，而
22、后单片机通过控制LCD液晶实时显示当前工作的模式和相应的截止频率数值22。2.3 本章小结 本章首先介绍了整个系统的设计需求，并给出了两种设计方案通过对比最终选择了方案二，然后详细分析了整个系统的组成单元和每个单元要实现的功能及目的。第3章 硬件设计在本次的课题设计中最重要的一部分就是硬件电路设计，这一部分是制作实际电路板必须要进过的一个环节，根据对实际功能的需求设计出符合并能实现程控低通滤波器的电路。在进行电路设计之前需要先进行截止频率的计算，然后才能选定好各电子器件数值。在整个的系统设计电路主要包括微控制器电路设计、压控电压源二阶低通滤波器的设计、按键及液晶显示电路、系统供电电源电路的设计
23、等，只有这些功能电路都成功地实现后，整个系统设计电路才能够成功实现，下面将一一介绍。 3.1 微控制器电路设计微控制器是整个程控低通滤波器中程控部分实现的核心，也是整个系统电路的设计中心控制电路，所以这部分的电路是非常重要的。根据硬件模块的需求可知单片机要具备处理性能好、操作简单等功能。本次设计选用的是STC89c52RC单片机，这款微控制器有着低电压、低功耗、性能强、数据处理速度快等功能强大的优点，可以应用于大多数情况复杂的控制应用电路。所以满足这款芯片正常稳定工作运行的核心控制硬件模块为此次设计的第一部分，控制电路如图3.1所示：图3.1 单片机最小系统上图为单片机的最小系统电路，由于单片
24、机内部没有晶振来提供系统所需时钟也没有复位电路给系统进行复位，所以由C6、C7两个电容结合12M的晶振组成给单片机固定的节拍时钟，由按键SW-PB结合电容C8、电阻R2构成单片机复位电路，同时给单片机的P0与P2端口外接4.7K的上拉电阻。此款单片机的工作电压为5.53.3V，内部Flash为8K、RAM为512字节。在对芯片进行程序下载时可以利用串口直接下载电路需要的程序。这部分的设计主要要考虑到单片机的性能，所拥有的I/O引脚是否够此次设计的使用，因为在此次设计中要使用到三个按键、三个模拟开关的控制端、十个左右的液晶显示端和单片机最小系统需要的晶振、复位按键等。单片机要有很好地反应速度和处
25、理能力，它要实现液晶电路的显示、输入按键的信号处理和对模拟开关的输出通道模式选择。微控制器作为系统的控制核心，其性能对系统完成后的整体性能影响很大，所以选择一个合适的微控制器是设计成功的基础。3.2 低通滤波电路设计理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过，而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减。本次设计我选择了二阶sallen-key低通滤波器，如图3.2所示：图3.2二阶sallen-key低通滤波器电路图有源二阶低通滤波器的传递函数为： (3.1)滤波器的性能参数表达式为： (3.2) (3.3)增益为： (3.4)在这里我让放大倍数Av =1，即R0开路，Rf短路，此
26、时，Q=0.707。本设计的截止频率分别是50Hz、100Hz和1KHz。为了减少模拟开关的个数，本次设计我取电阻不变，只改变电容值的做法，取电阻R1=R2=10K，则根据公式：C1=2C2，计算求得：当C1=300nF、C2=150nF接入电路时，截止频率为50Hz；当C1=110nF，C2=51nF接入电路时，截止频率为100Hz；当C1=15nF，C2=7.5nF接入电路时，截止频率为1000Hz。即整个程控滤波器可分为三个档位，通过对不同的电容的切换，进而切换出巴特沃斯滤波器，而改变电容这个过程则需要控制芯片和模拟开关共同作用方可完成。在此次的课题设计中实现不同截止频率选择的功能电路是
27、由CD4051模拟开关去控制的，在这个电路环节中模拟开关和电压跟随器、运放共同组成了二阶低通滤波电路的设计。这部分可以说是整个系统电路的核心组成，它的性能直接决定了电路的技术指标，所以它的设计是非常重要的，具体的原理图如图3.3示：图3.3 程控滤波模块原理图 从上面的原理图可以看出，信号首先进入电压跟随器，此次设计用到的电压跟随器是由运放LM358构成信号由IN接入运放的正相端，然后运放的输出端接入运放的负相端实现运放的一个负反馈，接下来是进入由电阻、电容、运放构成的有源二阶低通滤波器，首先进过电阻然后并联到一个电容接地，接入运放LM358的正相接入端。接下来电阻再通过一个并联电容直接接入到
28、运放输出端形成一个正反馈电路，这样形成回路后将信号输出至电压跟随器然后在OUT处接入示波器观察滤波器处理后的信号波形。在图3.3中可以发现，截止频率的不同数值实现是通过接入两个不同的电容值形成不同的滤波电路去实现的。在这里就需要进行不同电容值之间的正确切换，所以就需要用到模拟开关去实现这个要求，在本次的系统设计中选用的模拟开关是CD4051它有着使用简单功能强大反应迅速等特点。首先在单片机的端口处选择三个引脚作为控制端的输出命令信号，然后将三个引脚分别对接模拟开关的通道选择端A、B、C三个引脚，模拟开关拥有1个输入口，8个输出通道的选择。在具体的工作实现中是通过输出高低电平给A、B、C然后选择
29、对应的通道，例如输入三个000低电平就会选择输出通道0，输入001两低一高电平就会选择输出通道1。通过这样方式就可以接入不同的电容值12，例如电路设计是产生截止频率为50Hz的低通滤波器，按下按键0，给运放接正负两个电源供电，各电阻电容值分别为：R1=R2=10K，C1=300nF，C4=150nF；电路设计是产生截止频率为100Hz的低通滤波器，按下按键1，给运放接正负两个电源供电，各电阻电容值分别为：R1=R2=10K，C2=110nF，C5=51nF；电路设计是产生截止频率为1KHz的低通滤波器，按下按键2，,给运放接正负两个电源供电，各电阻电容值分别为：R1=R2=10K，C3=15n
30、F，C6=7.5nF。3.3 显示控制电路设计在整个选择截止频率不同的滤波电路时是通过按键实现的，但在实际应用中有一个不方便的地方就是按键给工作人员带来的感觉不直观，不能让使用者一看就明白此时电路处于哪个模式、截止频率为多少。基于这种现实考虑系统决定引入液晶显示，通过LCD的方式让人更直观的观察到此时电路工作的状态是哪种，具体的实现电路如图3.4所示。图3.4 液晶显示电路液晶有三个控制端8个数据线，三个控制端RS、WR和E与单片机的P2.5-P2.7引脚对接，8个数据线D0-D7与单片机的P0.0-P0.7引脚对接，进行数据信息的传输同时单片机可以通过程序软件实现对液晶的控制，液晶的亮度是通
31、过其一个引脚接滑动电阻连接电源来控制的，接入的电阻值越大液晶越暗，通常是把电阻值调到最小让液晶处理最亮的状态。在液晶的第一行显示的是当前处于模式1还是模式2还是模式3；第二行显示的是当前所处状态的截止频率是50Hz还是100Hz还是1KHz。通常这样直观的显示可以让使用者感觉更直观，用户体验度更好。3.4 电源电路设计本设计系统中的每一个电路模块都需要有电源来供电，所以电源电路部分的设计是不可缺少的，又因为电路中的各部分器件所需要的电压有不同，所以需要设计一个能提供多电压的供电电路，因为有运算放大器的原因，在电源电路的设计中还要注意要能够提供出负电压，因为运算放大器采用的电源是正负电压供电的方
32、式，供电电源电路的设计如图3.4所示：图3.4 电源电路由图3.4可以看出，P_IN接变压器的三个输入端，系统采用的线性电源是将交流电经过变压器降低电压值，然后再经过整流电路得到的直流电压。在电路中加入了很多的电容进行退耦来降低电源的纹波减少干扰，得到带有微小波纹电压的电压。利用78XX系列来得到正负12V、正负5V供电电压。3.5 本章小结本章是属于硬件电路的设计，主要介绍系统控制核心单片机最小系统的构成和程控电路环节是如何通过与单片机的配合实现不同截止频率的选择与设计，接着介绍了液晶显示部分显示的工作模式和截止频率数值，最后介绍电路需要的供电电源设计。第4章 软件设计第三章详细介绍了系统设
33、计中用到的硬件部分，可以很容易的理解到在整个的系统运行中光有硬件系统是不能工作的，还需要相应的软件来进行控制，在本设计中用到了软件和编译器。在本系统设计中单片机用到的语言是C语言，这种语言的优点是灵活易使用，操作性强，程序表达简洁，执行效率高26。设计采用Keil uvision4软件作为开发工具，其窗口表达十分清晰，同时，软件所带的编译器与调制工具十分方便易用并且与设计中所选用的AT89LV52单片机可以很完美的结合，为本设计中软件的编写与调试带来了非常大的方便。同时，软件采用UART串口的形式进行程序下载。在设计中对处理器芯片进行程序代码的编写，首先是对芯片进行初始化配置把相应的时钟、复用
34、引脚、液晶显示的程序等都设置好。在按键控制信号的采集过程中，需要对输入信号进行按键去抖动程序处理，保证信号输入的准确性避免出现按一次多次响应的错误，在本设计中选用的单片机要通过引脚输出的高低电平命令实现对模拟开关CD4051的输出通道口的选择。同时单片机需要将当前滤波电路的工作模式及当前截止频率送到液晶进行显示。在整个的程序设计中主要分为三部分的程序流程设计，他们分别对应整体设计程序流程、程控通道程序设计、按键去抖动程序设计。第一部分的程序设计为总体程序的设计，它根据整个系统的贯穿始终来考虑，基本包括了程序设计中的主要设计环节和大体设计思路；第二部分的设计为程控通道选择程序的设计，这部分是很重
35、要的一个功能实现环节，对于处于不同截止频率的不同滤波电路主要是通过这一环节实现的，在这个环节里主要是模拟开关与单片机之间的程序配合；第三部分按键去抖动程序的设计，按键去抖动是很重要的一部分因为此次设计的程控输入端就是通过按键来操作的，对于按键去抖动有有很多的实现方式，分为硬件和软件，在此次设计中采用软件处理的方式，在软件处理的方式也可根据实际情况分为比如查询、矩阵键盘的扫描等，因为本次设计所需要的按键数量较少，所以采用程序软件查询的方式进行处理；下面将逐个进行介绍。4.1 总体程序设计在程序设计中首先需要对整体的流程框图有一个大体的理解，通过整体的理解后再去细化每一环节应该执行的功能。在此次的
36、程控低通滤波器的设计中，根据电路实现过程画出具体的实现流程如图4.1所示：图4.1 总体程序流程图从上面的流程图可以看出整体的设计思路是非常清晰的，首先单片机上电进行初始化配置，把电路工作时要使用到按键、模拟开关的控制端、液晶数据传输引脚、晶振、复位按键等都使其开始工作。接下来进入判断环节，这个步骤的作用是选择程控滤波电路的工作模式和对应的截止频率数值。单片机在接收到按键选择的工作模式后就会通过引脚给模拟开关的控制端输入相应的高低电平，生成相应的命令使滤波电路得到不同的接入电容从而实现不同的截止频率，这样就实现了整个程控滤波电路的流程设计。4.2 程控通道程序设计程控通道的选择是整个系统实现的
37、功能电路核心，这一部分主要是由单片机和模拟开关CD4051配合来实现的，单片机通过自己的引脚对接模拟开关的控制引脚进行数据命令的传输，模拟开关接收到命令后去选择相应的通道输出口继而连接不同的电容进入滤波电路中，具体实现的流程如图4.2所示：图4.2 程控通道选择首先单片机进行初始化设置，然后按下按键选择具体的截止频率与工作模式，按键0对应的截止频率为1KHz，按键1对应的截止频率为100Hz，按键2对应的截止频率为50Hz，单片机在得到按键按下的命令后去判断是按键几，然后执行相对应的功能命令，例按键2按下单片机对与模拟开关相连接的P1.0、P1.1、P1.2进行电平赋值0、0、0，与之相连的模
38、拟开关就会选择输出通道0作为输出端，继而与输出通道相连接的两个电容值就接入到了滤波电路中，与电阻、运放一共构成了截止频率为1KHz的低通滤波电路，其它滤波电路的实现原理与1KHz一样。4.3 按键去抖动程序设计本系统设计中是通过按键输入的方式实现不同截止频率的滤波电路的选择的，所以对于按键这一块的处理要非常重视，避免出现一次按下多次响应的错误。在此次的设计中对于按键去抖动的处理是采用程序软件的方式实现的，这样可以节省硬件成本同时使用方便、操作简单，具体的程序流程图如图4.3所示:图4.3 按键扫描流程图首先进行单片机初始化设置，因为按键与单片机的引脚是连接在一起的，所以当按键出现变化时单片机的
39、引脚也会出现相应的电平高低变化，单片机通过读取引脚的变化就可以检测到按键当前的状态。接入按键的引脚电平出现变化即按键按下，单片机首先延时10ms的时间进入延时去抖动程序，10ms过后如果还有信号即证明按键此时牌按下的状态，单片机执行此按键对应的命令，在这之后按键松开单片机再次进行判断10ms后没有信号输入说明按键此时已被松开。4.3 本章小结本章主要介绍了系统设计的软件组成部分，首先是整体系统设计流程，从信号输入到进过滤波处理输出的整体过程做出了详细的分析与介绍。然后就程控低通滤波部分，这一部分的设计可以说是整个电路的实现核心，对于模拟开关的选择要十分的注意，要保证模拟开关有很好的性能，可以进
40、行快速的反应并且能够让与之连接的电子器件很好地发挥本身的功能。最后是对按键控制部分的去抖动处理。第5章 仿真与测试本课题在制作实际电路板时，首先是制订系统设计方案并根据实际情况得出最优设计选择，然后去根据系统设计的需求来选择性能及价格都合适的相应电子器件，根据器件的特性选择相应的编译器及下载方式并利用编程软件编写出符合相应功能要求的程序代码，此上的这些步骤为实际电路设计的前提。在设计好电路原理图和程序代码后，就需要对电路设计原理进行仿真验证其设计是否正确，有什么问题能否达到设计要求的性能。对原理图和程序代码验证得出设计正确后，就需要焊接电子器件测试实际电路板，调整好实际电路板后就完成了整个系统
41、电路的设计。在对电路设计进行验证时可以选用很多软件进行仿真，经过对比最终决定采用Multisim软件进行电路仿真，因为在程控低通滤波器设计中要运用到运算放大器，此软件可以很好地支持对运放的仿真效果，同时利用该软件可以非常方便的观察到滤波电路处理后的信号波形图，它利用内部的软件组件可以为工作人员直观地显示信号的波形。此次设计除了进行仿真外，还进行了实物的制作。在经过电路原理仿真后，就需要把PCB板送到工厂中进行电路板的制作，这时要把电路中的软件代码编写好，等到PCB板回到手中时进行电路焊接后，要对整个实际电路进行调试，如果出现问题就解决掉直到整个电路最后成功设计好。5.1 Multisim软件仿
42、真本设计所采用的电路仿真软件是NI公司的multisim软件，它具有很强大并且丰富的功能，可以根据自己的需求调出相应的器件例信号发生器、示波器等，同时它还可以对模拟电路、数字电路进行仿真，可通过功能模块进行结果的显示27。在经过方案讨论定下设计方案后，就可以利用此软件对设计的电路原理图进行验证，根据仿真软件显示的结果调整自己的设计，最终得到最正确的电路原理图。该系统设计的要求是利用单片机程控的方式，选择不同的低通滤波电路接入不同的电容阻值得到截止频率不同的滤波设计。根据这样的设计思想，在进行电路验证的时候利用multisim得到截止频率分别为50Hz、100Hz、1KHz的三个截止频率。三个截
43、止频率的不同，主要在于电路设计中对电阻、电容值的不同设定，进而产生不同的效果。首先介绍截止频率为50Hz的电路设计，具体仿真图分为电路图与波形输出图，如图5.1所示：图5.1 截止频率为50Hz的仿真电路图从上图中可以看出，利用仿真软件里的控件XFG1为信号频率发生器，XBP1为信号示波器，此电路设计是产生截止频率为50Hz的低通滤波器，要给运放接正负两个电源供电，各电阻电容值分别为：R1=R2=10K，C1=300nF，C2=150nF，从图5.1中可以看出XBP1波特测试仪的截止频率为50.501Hz(理论为50Hz)。从波形图中可以看出超出50.501Hz后，明显出现频率截止。接下来介绍
44、截止频率为100Hz的电路设计，100Hz截止电路与50Hz截止电路的结构设计一样，只是电路中的电容值有区别。具体仿真图分为电路图与波形输出图，如图5.2所示：图5.2 截止频率为100Hz的仿真电路图从上图中可以看出，利用仿真软件里的控件XFG1为信号频率发生器，XBP1为信号示波器，此电路设计是产生截止频率为100Hz的低通滤波器，要给运放接正负两个电源供电，各电阻电容值分别为：R1=R2=10K，C1=110nF，C2=51nF，从图5.2中可以看出XBP1波特测试仪的截止频率为99.16Hz(理论为100Hz)，从波形图中可以看出超出99.16Hz后，明显出现频率截止。最后介绍截止频率
45、为1KHz的电路设计，同样1KHz的电路设计与50Hz和100Hz的电路设计一样，区别在于电容C1与C2的容值不同，具体仿真图分为电路图与波形输出图，如图5.3所示：图5.3 截止频率为1KHz的仿真电路图从上图中可以看出，利用仿真软件里的控件XFG1为信号频率发生器，XBP1为信号示波器，此电路设计是产生截止频率为1KHz的低通滤波器，要给运放接正负两个电源供电，各电阻电容值分别为：R1=R2=10K，C1=15nF，C2=7.5nF，从图5.3(a)中可以看出XBP1波特测试仪的截止频率为1008Hz（理论为1000Hz），从波形图中可以看出超出1008Hz后，明显出现频率截止。5.2 实
46、物调试本设计的硬件部分通过调试，在调试过程中遇到很多问题，由于本电路是自己焊的，所以电路容易出现某根线断了的情况，本已经测试好的电路不得不重新查找问题。系统工作的过程是程序在Keil软件中调试通过并下载到单片机中，将电源通过变压器接入电源电路，然后通过按键选择截止频率不同的电路，下图展现的就是电路在实际工作中的图片，可以看出液晶上显示了模式与截止频率，滤波电路输入端连接信号发生器，通过信号发生器输出的信号作为滤波电路的信号来源，然后将输出端连接示波器，通过示波器所显示的波形来判断滤波电路对信号的处理性能，实际图如图5.4所示：图5.4 实际电路图从上图中可以看出，左上侧的为变压器作用是把接入的
47、220V交流电变为12V输出的直流电，然后将12V直流电接入到电源电路中的12V接入端，通过电源电路的转换就可得到正负5V的电压，通过这个正负电压可以为运放、单片机等进行电源供电，在图左侧为单片机最小系统是整个系统的控制核心，在其旁边的是显示液晶和控制按键，通过杜邦线将其与单片机进行连接，其余部分为电压跟随器、CD4051模拟开关和二阶滤波电路。本系统是程控低通滤波器的设计，具体的实物电路要实现两个基本功能一个就是低通滤波电路的功能，另一个就是利用同样的这个电路实现不同的截止频率滤波设计。基于以上的功能要求，在进行具体的实物电路调试时采用设置固定的一个频率然后利用信号发生器将不同的信号频率输入到滤波电路中，然后利用示波器进行波形的观察。首先，利用按键选择截止频率50Hz的程控低通滤波电路，经过调试得到阻带的截止频率为65Hz，将30Hz、100Hz的信号频率通过滤波电路进行示波器观察，具体的波形图如图5.5(a)、图5.5(b)所示。通过示波器的波形图可以看出30Hz的信号频率通过程控滤波电路后没有任何变化，信号的幅度值与信号波形都没有损失，说明30Hz信号成功通过了截止频率为50Hz的低通滤波电路。100Hz的信号