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標題: 51單片機+FPGA+有源濾波器MAX262 程控放大器設計 [打印本頁]
作者: cmlaaa    時間: 2020-7-30 01:02
標題: 51單片機+FPGA+有源濾波器MAX262 程控放大器設計
本系統以51單片機和FPGA為核心，完成程控放大電路和程控濾波電路，同時設計完成了簡易幅頻特性測試儀。里面有詳細的電路圖

本系統以51單片機和FPGA為核心，完成程控放大電路和程控濾波電路，同時設計完成了簡易幅頻特性測試儀。單片機通過控制反饋網絡的繼電器來調節放大電路的增益，最大能放大60db，倍數可調，采用高精度的電阻匹配，使其具有更好的精度。程控濾波電路采用單片機控制CMOS 雙二階通用開關電容有源濾波器MAX262改變參數，使截止頻率從1kHZ到10khz可調，具有很高的精度，可達到1%。本系統還完成了簡易的幅頻檢測裝置，能對目標系統進行一定精度下的幅頻檢測，并輸出波形。從數據顯示來看，本系統能執行可控放大、濾波及幅頻檢測等任務，表現出極高的穩定性和可靠性,本系統完成了所有基本功能和絕大部分發揮部分。

方案的論證和設計
程控放大器的設計
（1）利用數字電位器，通過單片機改變負反饋的阻值，進而改變放大倍數，優點電路結構簡單，靈活；缺點是精度不夠高。
（2）利用選擇電路，選通某條支路，由于使用的是分立元件，匹配度高，可以使放大倍數的精度大大提高，卻也有電路復雜的缺點，由于本設計任務的精度要求，因而選擇此種方案。
程控濾波器的設計
濾波器設計有很多種，但主要分為數字濾波電路和模擬濾波電路。
（1）．采用FIR數字濾波器。數字濾波器解決了模擬濾波器所無法克服的電壓漂移，溫度漂移和噪聲等問題，但由于計算量過大，且由于未系統學習過FIR，故不選用。
（2） 采用有源RC濾波電路，使用數字電位器控制電阻值，從而可以改變電路的濾波特性。特點電路簡單靈活，缺點是精度不夠，
（3）．采用專門的開關電容濾波集成芯片。MAX262 是CMOS 雙二階通用開關電容有源濾波器由微處理器精確控制濾波函數可構成各種帶通低通高通陷波和全通配置且不需外部器件，功能強大，易于掌控。故選用此種方案。
3．  幅頻特性電路的設計
              幅頻特性是指幅度隨頻率的變化的關系；主要原理是控制掃描信號的頻率變化，檢測出幅度的變化；對于幅度的檢測，傳統方案是使用AD,將檢測的數據傳入控制器，由控制器對數據進行處理，然后DA輸出。此種方案復雜，繁瑣，精確度不高。現采用檢測真有效值芯片LTC1966，LTC1966可以檢測交流信號的真有效值具有高精確度，總誤差小于0.25%。
系統結構框圖：
下圖為本系統的主框圖：

放大電路可對輸入信號進行不同倍數的放大，使信號以適當的幅值通過濾波電路。放大電路的組成框圖如 圖1 所示。通過電壓跟隨部分提高電路的輸入電阻，控制部分通過對反饋部分的控制來實現對電路放大倍數的控制。
通路選擇采用繼電器控制電路的導通，從而選取不同的放大倍數。
放大部分輸入端電阻R選則100Ω，則反饋電阻Rf的選擇根據
Vo = - Ui × （ Rf / R24 ）
從而可以選取0db—60db放大倍數下的反饋電阻。為了使信號頻率為40khz時，增益能夠達到60db，，集成運放的帶寬增益積必須大于40M。
我們選擇集成運放ths4052（帶寬                                                                       增益積典型值為70MHZ）以滿足帶寬增益積的要求。


實際電路模塊見附錄二。
                            濾波電路采用MAX262 是CMOS 雙二階通用開關電容有源濾波器由微處理器精確控制濾波函數可構成各種帶通、低通、高通、陷波和全通配置且不需外部器件。
由于內部參數的選擇，采用由FPGA分頻產生四時鐘輸入，單片機電路負責向MAX262輸入控制信號和數據。
實際電路模塊見附錄二。
我們采用橢圓形歸一化LPF的設計方法，電路圖5所示。我們選擇帶內起伏量為1.0db阻帶頻率為通帶頻率的4.0倍。帶內起伏量為1db時，阻帶內有一個限波點的橢圓型歸一化LPF的設計數據如 表1（見附錄） 所示。
待設濾波器截止頻率與基準濾波器截止頻                                                                                                                             率的比值M為：
M = 50k / （ 1 / 2π ） = 314159
對基準濾波器的所有元件值除以M，得到截止頻率已變換成待設計濾波器的截止頻率160khz時的元件參數。
C1（new）= C1（old）/ M =6.31355μF
C2（new）= C2（old）/ M =156.258nF
L3（new）= L3（old）/ M =3.06374μH
待設濾波器的特征阻抗與基準頻率器特征阻抗的比值K為：
              K = 51Ω / 1Ω =51
將所有的電感元件值乘以 K ，將所有的電容值除以 K 。這樣，便得到了待設計的特征阻抗為51Ω，且截止頻率為50K的四階橢圓濾波器。
C1（new）= C1（old）/ K =123.79 nF
C2（new）= C2（old）/ K =3.0639nF
   L3（new）= L3（old）× K =156.25μH
實際電路模塊見附錄二。
              幅頻檢測電路基本原理是通過掃描不同頻率，通過目標電路，然后檢測幅值，顯示輸出幅值的過程。
              掃描頻率電路使用FPGA產生的DDS電路，基本輸出為10HZ到200KHZ，利用單片機控制DDS的控制字產生步進為10KHZ的掃描頻率。
              幅值檢測電路利用專用芯片LTC1966，LTC1966可以檢測交流信號的真有效值具有高精確度，總誤差小于0.25%
幅度檢測電路見附錄二。
三．系統軟件流程圖
1．單片機流程圖：具體程序見附錄；
2．FPGA設計框圖 ：具體程序見框圖；


1．測試使用儀器：pc機，數字示波器TDS1002，F10A型函數信號發生器，直流穩壓源LPS-305，DF2172A交流毫伏表。
2．系統整機調試：
（1）程控放大器測試：
測試方案：輸入電壓振幅為10mv，調節放大倍數，分別測量輸出電壓。


經測得，在50db以下時，通帶包含100 Hz—40khz，60db通帶在100-37.5khz。增益10dB步進可調，放大器輸出電壓無明顯失真。
(2)程控濾波器設計
測試方法：跟據截至頻率的定義，我們取通帶電平下降到-3db的頻率點，并分別測出信號頻率為高通截止頻率一半，低通截止頻率二倍，放大電路增益為40dB時，總體電路的增益，電路數據使用交流毫伏表測量。


（3）用交流毫伏表測量四階低通橢圓濾波器的通頻帶。
在輸入端接入函數信號發生器，保持輸入信號的有效值為0.5v，改變信號的頻率，測量輸出信號的有效值。
表四  橢圓濾波測量數據 Vi = 0.5v
橢圓濾波器的截止頻率為51KHz，帶內起伏≤1dB。
              前級放大電路的輸出端接入橢圓濾波器，放大電路的輸入端接信號發生器，放大電路的增益設為40dB，信號頻率設為200KHz，分別用交流毫伏表測量輸入輸出電壓的有效值，測得輸入電壓為0.695v，輸出電壓為0.795v。總電壓增益小于5dB。
（4）簡易幅頻特性儀
              測試方案：將簡易幅頻特性儀通過一目標電路，將輸出接示波器；
   本設計任務中，我們完成了簡易幅頻特性儀的設計，性能達到了目標要求；

我們很好完成了可控放大電路，可控濾波電路等基本要求，可控放大電路能在0db 到60 db可調，精度達到了我們的要求，可控濾波電路能選擇高低通設置，并且在1khz到10khz可調，精度達到1%，此外，我們很好的發揮了四階橢圓濾波器的設計和簡易幅頻特性儀，并和好達到設計要求。



全部資料51hei下載地址(protel99格式的ddb,其他軟件打不開的,資料目前不全不完善,求大神繼續補充)：
5752187103.rar (198.92 KB, 下載次數: 38)

作者: 夢晨家的小baby    時間: 2022-12-24 21:36
最后這個附件只有程控濾波的么？還是全都有



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