可調增益程控濾波器的設計
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1 系統設計
由于信號處理系統的輸入信號是含有噪聲干擾的微弱信號，因此首先該系統應該能對微弱信號進(jìn)行放大，然后再濾波，濾除干擾和噪聲；其次，該系統還應該能根據信號強度的大小和噪聲干擾頻率的不同，通過(guò)鍵盤(pán)重新設置系統的增益和濾波器的頻率等，并且將當前的設定值顯示出來(lái)。根據以上要求，該系統由三部分組成，即程控放大部分、程控濾波部分和鍵盤(pán)、顯示部分。整個(gè)系統以89C51單片機為控制器，將這三部分連接起來(lái)構成一個(gè)可調增益程控濾波的信號處理電路，系統原理框圖如圖1所示。
2 程控放大部分設計
該部分的功能主要是按照給定的增益對輸入信號進(jìn)行放大，也就是說(shuō)放大倍數是由程序控制可調的，為了完成這樣的功能，在這里選用運算放大器AD826和10位D／A轉換器AD7520的內部電阻網(wǎng)絡(luò )組成一個(gè)程控可調增益的放大電路。AD826具有50 MHz的增益帶寬積和較高輸出驅動(dòng)能力，對于普通信號的放大完全可以滿(mǎn)足。AD7520內部集成了10個(gè)模擬開(kāi)關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò )，而且這10個(gè)模擬開(kāi)關(guān)是可編程控制的，根據這樣的特點(diǎn)，用AD7520內部電阻網(wǎng)絡(luò )與AD826共同組成程控增益部分電路，原理如圖2所示。
3 程控濾波部分設計
程控濾波部分采用可編程控制的濾波器芯片MAX261來(lái)實(shí)現。MAX261是CMOS雙二階通用開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，它無(wú)需外圍元件即可構成多種低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，最大工作頻率范圍從0.4 Hz～57 kHz，其原理圖如圖3所示。用MAX261設計濾波器時(shí)主要是設計5個(gè)參數，時(shí)鐘頻率fCLK；中心頻率f0，以及對應的編程系數Nf；品質(zhì)因數Q，以及對應的編程系數Nq。其中fCLK由外部晶振頻率決定。這5個(gè)參數之間是有相互關(guān)系的，計算起來(lái)很復雜，為了提高設計效率可用MAXIM公司為MAX261濾波器提供的專(zhuān)用設計軟件來(lái)計算。在計算f0和Q時(shí)應選擇不同的工作模式。
模式1：可以構成-巴特沃思、切貝雪夫、貝塞爾濾波器實(shí)現全極點(diǎn)低通和帶通濾波器。
模式2：用來(lái)構成全極點(diǎn)低通和帶通濾波器，和模式1相比，優(yōu)點(diǎn)在于能夠獲得更高的Q值和低噪聲輸出。
模式3：能構成高通濾波器，其最大輸入時(shí)鐘頻率小于模式1中采用的頻率。
模式3A：通過(guò)運用片內自由運放把模式3中高通與低通輸出相加構成獨立的帶阻。
模式4：可提供全通輸出，也可用來(lái)提供全極點(diǎn)低通和帶通濾波器。
在設計濾波器時(shí)可根據需要選擇相應的模式。
對MAX261編程，主要是將編程系數Nf和Nq寫(xiě)入濾波器A和B的存儲器中。MAX261的硬件原理圖如圖3(b)所示，用單片機的I／O口P0.0～P0.3控制四位地址線(xiàn)，用P0.4和P0.5控制數據線(xiàn)，P0.6為寫(xiě)控制位WR。由于Nf是六位的二進(jìn)制數：F0～F5，Nq是七位的二進(jìn)制數：Q0～F6，而數據位只有兩位，所以對MAX261編程時(shí)應按照表1所示的地址數據格式寫(xiě)入。
對MAX261寫(xiě)數據時(shí)，地址、數據和寫(xiě)控制位的時(shí)序按照圖4所示時(shí)序操作。地址信號在寫(xiě)控制位低電平時(shí)有效，數據將在WR上升沿時(shí)被寫(xiě)入由地址確定的存儲單元中。編程時(shí)先讓P0口將地址、數據和WR同時(shí)送出，如P0=80H表示W(wǎng)R為低電平，準備將工作模式1的控制字寫(xiě)入濾波器A，接著(zhù)讓P0.6=1，即WR由低跳高，模式1控制字就被寫(xiě)入存儲單元。
4 鍵盤(pán)和顯示部分設計
鍵盤(pán)用3個(gè)按鍵K1，K2，K3即可完成。K1選擇程控對象，即選擇當前是對程控放大部分編程還是對程控濾波部分編程，當K1選定后，K2，K3定義為加、減選擇，用來(lái)調整放大部分的增益或改變?yōu)V波部分的中心頻率。顯示部分用已封裝好的LCD顯示模塊，不需要另行設計。
5 結 語(yǔ)
本系統將3個(gè)器件AD7520，AD826，MAX261有效地結合起來(lái)，以單片機為控制器來(lái)控制放大增益和濾波頻率，實(shí)現了對輸人小信號的前級放大，后級濾波，消除噪聲干擾，最終輸出一個(gè)真實(shí)有效測量信號，可完成對測量信號的處理功能。
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