設計要求

　　當輸入信號幅度變化時，通過前級的程控增益放大模塊實現對增益的精確控制，最終使輸出信號幅度基本保持穩定；而對于輸入信號頻率的改變，借助單片機可編程濾波器芯片的同時，用簡單的外圍期間來輔助，采用編程數據來完成RC網絡的切換，通過單片機變成對各種低頻信號實現通、高通（帶通、帶阻以及全通）濾波處理，而且濾波的特性參數，如中心頻率、品質因數等也可以根據不同的應用場合進行設置，提高了濾波器的性能和指標的同時，也有效避免了傳統有源濾波器電路濾波特性參數精度不高、電路復雜、設計和調試麻煩等問題，可以很好的應用于信號頻率及幅度在寬范圍內變化的場所，操作方便，性能優良。

　　本次設計一個程控濾波器，放大器增益可設置，低通或高通濾波器通頻帶，截止頻率等參數可設置。濾波器為有源濾波器，并可按一定程序設置通頻帶及截止頻率等。

　　設計方案

　　（1）增益控制

　　采用精密數字電位器和儀表放大器AD620連接通過改變數字電位器的阻值來實現增益的調節，可以精確的調節增益且精度高。此方案可以較精確的控制電壓增益，便于單片機控制，同時降低干擾和噪聲，滿足設計要求，但成本較高。符合設計要求。

　　（2）濾波模塊

　　通過單片機對現有的集成的截止頻率可調的濾波器來實現題目的要求。實現起來精度高，且易于調試。通過單片機對MAX270（up程控濾波芯片）進行控制實現設計要求。

　　（3）橢圓濾波器模塊

　　采用集成的開關電容濾波芯片。由于此種芯片濾波器的截止頻率由外部時鐘決定，只要有一個穩定的外部時鐘，濾波器的截止頻率是可以保證精度的，同時，為了校準元件誤差，可以通過時鐘頻率的微調來改變濾波器的截止頻率，從而使其準確的達到設計要求。

　　（4）幅頻特性測試儀模塊

　　采用DDS產生掃頻信號，利用真有效值測量芯片AD637和A/D接口電路實現到頻信號頻率的步進調整及被測網絡幅頻特性的數顯。DDS產生信號的頻率穩定度較高，而且信號頻率的步進和信號幅度的控制比較方便。

　　（5）鍵盤控制及顯示模塊

　　采用按鍵和LCD顯示來實現系統的增益、截止頻率的適時調節和顯示的操作界面。

　　最終系統框圖如圖2-1所示：

　　理論分析與計算

　　（1）AD620增益控制實現

　　可控增益放大器部分是以AD620作為核心器件，實現0～60 dB之間的增益調節。AD620為低噪聲精密可變增益放大器，溫度穩定性高，其內部由R-2R梯形電阻網絡和固定增益放大器構成，加在其梯形網絡輸入端的信號經衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量由加在增益控制接口的參考電壓決定；其增益與控制電壓呈線性關系，通過單片機控制，而由D/A轉換器產生精確的參考電壓來控制增益，從而實現較精確的數控，同時可降低干擾和噪聲。程控濾波器部分采用開關電容濾波器實現。開關電容濾波器是由MOS開關、MOS電容和MOS運算放大器構成的集成濾波器，其開關電容組在時鐘頻率的驅動下，可等效成1只與時鐘頻率有關的等效電阻 R=1/2πC fc。其中C為開關電容組的電容，fc為濾波器時鐘頻率。 增益計算：

　　放大模塊的電路如圖2-3所示，該部分是由儀表放大器AD620和模擬開關CD4051共同組成三級放大電路來實現的，通過調節AD620的1腳和8腳之間的電阻值來改變電壓增益，電壓增益為10dB到60dB。

　　式中G為放大倍數，Gr為控制增益的電阻。

　　（2）MAX270濾波器截止頻率實現

　　系統采用濾波器MAX270實現低通濾波器。 MAX270包含兩個二階低通濾波器（過度帶頻率響應斜率近視為-40dB/十倍頻程）可分別程控，截止頻率1KHz—25KHz，96dB動態范圍，不需要連接外部元件，可級聯，具有低功耗的關斷模式。通過7位寄存器（D0—D6）發出的數據改變二階低通濾波器的兩個電容值從而改變電路的截止頻率fc（Cutoff frequencies）1KHz到25KHz共分128檔。

　　（3）橢圓濾波器的設計

　　四階橢圓低通濾波器相當于兩級二階低通濾波電路的的組合。其傳遞函數為：

　　我們采用橢圓形歸一化LPF的設計方法，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2-1所示。

　　（4）幅頻特性測試模塊

　　AD9851由DDS產生0～200 kHz范圍內的掃頻信號，DDS產生信號的頻率穩定度較高，而且信號的頻率步進和信號幅值控制方便。DDS以Nyquist時域采樣定理為基礎，在時域中進行頻率合成。DDS的基本工作原理：每個參考頻率fs上升沿到來時，N位的相位累加器值便按照頻率控制字K的長度增加一次，輸出所得相位值，正弦查找表將相位信息轉化為相應的正弦幅度值。在fs和N一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字K決定。以一定步進循環增加頻率控制字K，輸出頻率變化的掃頻信號。

　　掃頻信號通過被測網絡后，由AD637檢測有效值，即利用各個頻點通過網絡后的有效值在示波器上顯示其幅頻特性圖。AD637的外圍電路簡單，而且當輸入峰峰值大于2 V時，其測量誤差在100 Hz～1 MHz的范圍內可忽略。

　　DDS原理框圖，幅頻特性測試模塊原理框圖如圖2-2：

　　硬件設計

　　系統主要采用精密放大器AD620和MAX270，以及單片機的控制來實現。

　　1、放大器模塊

　　AD620特性：放大倍數可設置為1～1000倍，低價格、低功耗、高精度儀表放大器。它體積小，為8管腳的SOIC或DIP封裝；供電電源范圍為±2.3V～±l8V；最大供電電流僅為1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大輸入失調電壓為5OμV，最大輸入失調電壓漂移為lμV/。C，最大輸入偏置電流為2.0nA。G=10時，其共模抑制比大于93dB 。在1kHz處輸人電壓噪聲為9nv／（Hz）1/2，在0.1Hz～10Hz范圍內輸人電壓噪聲的峰--峰值為0.28μV，輸入電流噪聲為0.1pA/（Hz）1/2 ，G=l時它的增益帶寬為120kHz，建立時間為15μs。

　　其引腳如圖3-1：

　　放大器模塊電路如圖3-2所示：

　　2、單片機控制濾波器模塊

　　通過AT89S52單片機控制二階低通程控濾波器MAX270，來完成低通濾波器的設計。

　　a、AT89S52單片機

　　AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。

　　引腳及功能：

　　P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下，P0不具有內部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節；在程序校驗時，輸出指令字節。程序校驗時，需要外部上拉電阻。

　　P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數器2的外部計數輸入（P1.0/T2）和定時器/計數器2的觸發輸入（P1.1/T2EX）。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節。

　　引腳號第二功能：

　　P1.0 T2（定時器/計數器T2的外部計數輸入）時鐘輸出

　　P1.1 T2EX（定時器/計數器T2的捕捉/重載觸發信號和方向控制）

　　P1.5 MOSI（在系統編程用）

　　P1.6 MISO（在系統編程用）

　　P1.7 SCK（在系統編程用）

　　P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動 4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存儲器（例如執行MOVX @DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節和一些控制信號。

　　P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。

　　端口引腳 第二功能：

　　P3.0 RXD（串行輸入口）

　　P3.1 TXD（串行輸出口）

　　P3.2 INTO（外中斷0）

　　P3.3 INT1（外中斷1）

　　P3.4 TO（定時/計數器0）

　　P3.5 T1（定時/計數器1）

　　P3.6 WR（外部數據存儲器寫選通）

　　P3.7 RD（外部數據存儲器讀選通）

　　此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。

　　RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。

　　ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。

　　PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。

　　EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執行內部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

　　XTAL1：振蕩器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端。

　　XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

　　b、MAX270

　　主要性能：包含兩個二階低通濾波器（過度帶頻率響應斜率近視為-40dB/十倍頻程）可分別程控，截止頻率1KHz—25KHz，96dB動態范圍，不需要連接外部元件，可級聯，具有低功耗的關斷模式。通過7位寄存器（D0—D6）發出的數據改變二階低通濾波器的兩個電容值從而改變電路的截止頻率fc（Cutoff frequencies）1KHz到25KHz共分128檔。

　　引腳功能：

　　SHDN：關斷控制，低電平時，OUTA，OUTB和OP OUT以及配置驅動均被關斷； WR：寫控制輸入，低電平是，將數據D0-D6寫入由地址A0選擇的程序存儲器中，高電平時數據關斷；

　　CS：片選輸入，低電平有效；

　　A0：三態地址輸入邏輯高電平，選擇濾波器A，邏輯低電平，選擇濾波器B； D6-D7：7位數據輸入。

　　濾波模塊的電路如圖3-5所示，途中74HC373為八D鎖存器，當LE為高電平時，單片機控制地址和數據的信號被鎖存在鎖存器中，當LE轉為低電平時鎖存器打開，同時WR變為低電平控制信號送入MAX270。通過控制MAX270的四條地址線A0-A3、兩條數據線D0、D1和一條允許控制線WR對MAX270進行控制。

　　其引腳圖如圖3-4：

　　3、操作及顯示模塊

　　利用單片機控制鍵盤顯示器8279、可編程計數器8254、可編程有源濾波器MAX270。其中8254是3通道16位可編程計數器，計數時鐘頻率可達10 MHz，可向MAX262提供精確的時鐘頻率fclkA和fclkB。

　　軟件設計

　　1、開發軟件及環境簡介

　　通過使用Keil軟件進行前期仿真調試，通過后進行實際電路的連接，并進一步對各個參數進行測試，用Proteus設計電路。 4.1.1 Keil

　　Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發，體會更加深刻。

　　Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。

　　Keil的特點：

　　1）全功能的源代碼編輯器

　　2）器件庫用來配置開發工具設置

　　3）項目管理器用來創建和維護用戶的項目

　　4）集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應用

　　5）所有開發工具的設置都是對話框形式的

　　6）真正的源代碼級的對CPU和外圍器件的調試器

　　7）高級的GDI（AGDI）接口用在目標硬件上進行軟件調試以及和Monitor-51進行通信。

　　本次設計的匯編語言編程環境就是Keil，由它和仿真軟件Proteus關聯，進行單片機的仿真和調試。

　　Proteus

　　Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。

　　Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是：

　　1）原理布圖

　　2）PCB自動或人工布線

　　3）SPICE電路仿真 革命性的特點：

　　1．互動的電路仿真

　　用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

　　2、仿真處理器及其外圍電路

　　可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型。

　　上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設計開發環境。

　　系統主要程序

　　程序流程圖如圖4-1所示

　　（1）增益控制程序