论文总字数：22887字

目 录

1 绪论 4

1.1 课题背景 4

1.3 滤波器的分类 5

1.4 本文的研究内容 5

2 系统组成与方案分析 6

2.1程控滤波器的总体说明 6

2.2 方案比较与论证 6

3.理论分析与电路设计 7

3.1系统控制部分 7

3.2滤波器部分 11

3.3 LCD1602显示部分 14

3.4其他电路部分 16

3.5总电路原理图分析 19

4 软件设计 20

4.1软件设计流程 20

4.2 软件设计解析 20

5 PCB制板 22

6 系统测试 22

6.1测试结果 22

6.2测试结果分析 24

7 结论 26

参考文献 26

致 谢 27

附录 28

1、波形图 28

2、程序 29

程控滤波器的设计与实现

崔纯丽

，China

Abstract：This system mainly consists of a programmable filter, MCU control system and LCD1602 display system. The AT89S52 MCU is the control core of the system, combined with the basic principle of double second order loop filter MAX262, the circuit can realize lowpass, highpass and bandpass filter function. We can set the quality factor of the filter and the cutoff frequency using the buttons. Low pass, high pass filter cutoff frequency and bandpass filter with the center frequency can be preset ranged for 30kHz-49kHz,stepping 1 kHz and Q value range from 1 to 5. In addition, the system adopts LCD display, it is man-machine interface friendly.

Key words：programmable filter；MAX262；AT89S52；LCD1062

1 绪论

1.1 课题背景

信号的分析和处理其中一个最重要的技术就是滤波技术。从信号的获取与传输到信号的处理与交换，滤波技术都是必不可少的部分。并且，滤波相对而言其他的电子元器件，算是使用多、技术较为复杂的技术，因此，滤波器的好坏在某种程度上直接决定产品的优劣程度，所以一直到现在，整个国际上对滤波器的研究和生产都还是很重视。

滤波器在我国得到广泛使用是在50年代之后，从50年代到现在的半个多世纪，在研发、生产和应用等一些方面，我国的滤波器已加入了国际发展轨道。然而，由于我国的滤波器研究机构数量上有欠缺，加上与国际发展仍有一定差距的基础工艺以及材料工业，所以虽然有了半个多世纪的发展，我国包括程控滤波器在内的新型滤波器的研发依旧落后于国际步伐。

在无线电通信、自动测量和控制系统中，滤波器起到了很多作用，比如抑制干扰或者数据传送，这是因为，本质某种程度上，滤波的作用就是“选频”。我们现在常用的是有源滤波器，滤波器的用途虽然很广泛，但是其设计和调试也比较麻烦。

1.2 滤波器的发展

随着大功率电子器件的出现，谐波干扰已经成为了工业生产以及科研事业发展的巨大的障碍，应运而生的滤波器产品也就派上用场，可以这么说：只要是有电子产品的地方就一定会有有滤波产品，因此，滤波器的发展前景十分广阔明亮。

1915年，国外的两位科学家分别首次提出滤波器的概念，不久无源分立RLC元件出现，标志着滤波器发展的正式起步。随着时间流逝，滤波器理论也在不断发展，其中，开关电容滤波器是其中一个十分活跃的分支。

模拟开关与电容器以及运算放大器组成了开关电容滤波器（SCF）的核心部分，电容容量比的精确程度决定了SCF传输函数的系统特性，用MOS工艺比较容易实现。因此由于SCF的发展，70年代末，SCF的发展也带动了MOS工艺的发展，MOS元件的优势体现在它的速度、集成度、相对精度控制以及微功率等方面，同时又与SCF的发展相辅相成。1977年，加州大学伯克利学院的一个研究小组集成了世界上第一片单片MOS开关电容滤波器。

1917年美国和德国的科学家分别发明了LC滤波器。20世纪中，无源滤波器的发展也日趋成熟。60年代起，在计算机技术和材料工业发展的带动下，滤波器开始朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和性价比方向努力，70年代以后，小体积高精度成了滤波器的主攻方向，并且因为时代的推动，RC有源滤波器、数字滤波器和电荷转移器等各式滤波器得到了飞速发展，以至于以上几种滤波器的单片集成到70年代末已经被成功研制并应用。此后，滤波器依旧迅速发展，应用范围得到了扩大，性能也越来越好。

1.3 滤波器的分类

一般而言，滤波器有如下分类。

1. 按处理信号类型分类

可分为两类：

1、模拟滤波器。模拟滤波器分为有源滤波器、无源滤波器和异类滤波器三类

2、离散滤波器。离散滤波器分为数字滤波器、取样模拟滤波器和混合滤波器三类。滤波器下支的每个分类可以继续进行分类，最终所有分类可以呈一个树形结构。

有一些滤波器并不能明确规定其类别，比如SCF开关电容滤波器既属于混合滤波器，又属于取样模拟滤波器，也属于有源滤波器。滤波器的分类旨在让人们对滤波器类别有系统的了解，因此不必强求某些滤波器的明确分类。

（2）按选择物理量分类

可分为四类：

1、幅度选择滤波器

2、信息选择滤波器（举例：匹配滤波器）。

3、频率选择滤波器

4、时间选择滤波器

（3）按频率通带范围分类

可分为五类：

1、低通滤波器

2、高通滤波器

3、带通滤波器

4、带阻滤波器

5、全通滤波器

比如梳形滤波器既属于带通滤波器、又属于带阻滤波器。频率通带范围滤波是滤波技术中最常见的应用。

1.4 本文的研究内容

本文主要研究的是用单片机作为控制核心能实现满足条件滤波的程控滤波系统，控制核心硬件使用AT89S52单片机芯片，程控滤波的硬件部分以双二阶通用开关电容有源滤波器芯片MAX262为主要设计部分。本文最终研究目的是实现程控滤波，滤波器实现低通、高通或带通滤波时，品质因数、截止频率等参数可调设置。

2 系统组成与方案分析

2.1程控滤波器的总体说明

本系统主要由单片机AT89S52控制核心系统、以MAX262为主的滤波部分和以LCD1602为主显示部分3个部分组成。本程控滤波器系统的流程图如图2-1所示：

品质因数

截止频率或中心频率

LCD显示

按键设置

图2-1 系统流程图

2.2 方案比较与论证

2.2.1 控制方案

1. 方案一：使用可编程逻辑器件CPLD作为系统控制器。可编程逻辑器件的特点有设计开发的周期短、编程灵活、集成度高、价格大众化、适用范围宽等等，因此可以实现各种复杂的逻辑功能，适用于实时系统规模较大时作为其控制核心。
2. 方案二：使用AT89S52单片机作为控制器。AT89S52是一种CMOS型8位微控制器，它功耗低且性能高。具有集成度高、体积轻小、易于扩展、安全性高、中断处理能力强且价格低廉等特点，并且处理速度较快，适用于此控制系统。此外，本专业对51系列单片有一定的基础，使得本方案还在易用性方面具有一定的优势。

（3） 方案三：采用TI Luminary Stellaris（群星）LM3S系列32位ARM微控制器。LM3S8962微控制器有一个休眠模块，这个休眠模块有一个备用电池，因此，LM3S8962芯片在还没有被激活的时候就能够进入低功耗状态。此外，该芯片一对匹配寄存器、非易失性存储器等使得该芯片在低功耗要求方面具有很强的优势。该系列芯片现已停产，实际使用方面可参考资料较少。

综合考虑实际设计情况和性价比，采用方案二使用单片机AT89S52作为控制核心系统。

AT89S52芯片程序存储器能实现在系统内编程，方便于本程控滤波系统使用。

2.2.2 滤波器模块

本系统要求能够实现截止频率可调的滤波器，能实现低通滤波、高通滤波以及带通滤波。

1. 方案一：采用数字滤波器。使用MATLAB数字滤波器软件设计FIR滤波器。数字滤波器精度高，截止特性好。但是FIR滤波器会占用太多的FPGA资源，对于本设计而言，FIR滤波器设计有明显缺点，比如工作量大且稳定性不高，并且本系统设计要能使用不同的参数设置来实现截止频率可调，采用此种设计方式的话软件量较大。
2. 方案二：采用有源RC滤波电路，优点是电路结构简单，需要元件相对较少成本低，能方便使用专门的设计仿真软件。并且该电路输入阻抗高、输出阻抗低，能实现较大的阻带衰减。但是对于这种RC滤波电路而言，一旦阻容参数固定，中心频率就不能再调节，与本设计要实现的程控滤波要求相悖。

（3） 方案三：采用无源LC滤波器。此种方式电路设计较为简单，可以参考滤波器设计手册的有关参数，使用电感和电容就可以能够设计出各类型滤波器。依旧存在较大缺点，此种方法只能通过改变电路的电感和电容参数来实现截止频率可调，这将加大硬件设计的复杂程度。

（4） 方案四：采用双二阶通用开关电容有源滤波器芯片MAX262。采用这种设计方法需要的外部元件较少，设计方便，并且这种滤波器可以很方便地通过选择工作模式来实现低通、高通和带通三种滤波方式。具有电路实现简单、参数方便调整并且不受外部参数影响的优点。并且在程序的控制下，可以直接实现滤波参数的动态变化。

根据以上综合分析，决定采用方案四，在本系统中使用MAX262芯片来实现程控滤波。

3.理论分析与电路设计

3.1系统控制部分

3.1.1 AT89S52芯片介绍

AT89S52作为CMOS8位单片机，具有功耗低但是性能高的特点。AT89S52生产技术有高密度、非易失性存储的特点，该芯片作为51系列单片机，能兼容标准的MCS-51指令系统，芯片内内置通用8位CPU和Flash存储单元、8k bytes可反复擦写的Flash闪存只读存储器（ROM）和256bytes的随机存取存储器（RAM）。AT89S52可以作为很多复杂应用的控制系统，功能强大。AT89S52能够将至静态逻辑操作为0Hz处。当芯片处于空闲模式，中央处理器CPU会停止工作，但是其他部分如串口、中断或者定时器/计数器等会仍然处于工作中。AT89S52一共有40个引脚，引脚图如下所示：

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