微控制器控制的雙路有源濾波器設計
2023年04月28日 星期三 10:47 p.m.
摘 要:用微控制器對可程式設計濾波器晶元max262進行程式控制,可以同時對兩路輸入訊號進行二階低通、高通、帶通、帶阻以及全通濾波處理,濾波器的中心頻率在15khz～50khz頻率範圍內實現64級程式控制調節,其q值在0.5～64範圍實現128級程式控制調節。
在工業自動化的許多領域都要使用濾波器。一般有源濾波器均由運算放大器和rc元件組成,對元器件的引數精度要求比較高,設計和除錯都比較麻煩。美信公司(maxim)生產的可程式設計濾波器晶元max262可以通過程式設計對各種低頻訊號實現低通、高通、帶通、帶阻以及全通濾波處理,而且濾波的特性引數如中心頻率、品質因數等也可以通過程式設計進行設定。
有源濾波器一般通過改變rc網路的引數來改變頻率特性,採用運算放大器和可切換元件引數的rc網路,可以用同一電路組成各種頻率特性的濾波器。美信公司的可程式設計濾波器晶元採用程式設計資料來完成rc網路的切換。
1 max262晶元介紹
(1)內部結構
max262主要由放大器、積分器、電容切換網路(scn)和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網路(scn)和工作模式選擇器分別由程式設計資料m0m1,f0～f5和q0～q6控制。max262內部有兩個二階濾波器,濾波器a和b可以單獨使用,也可級聯成四階濾波器使用。晶元的使用非常靈活,但它們均受同一組程式設計資料的控制。
max262晶元的工作頻率為1hz～140khz。當時鐘頻率為4mhz,工作模式選擇為模式3時,晶元可以對140khz的輸入訊號進行濾波處理。其它工作模式的最高工作頻率為100khz。濾波器a和b可以採用內部時鐘,也可以採用外部時鐘。外部時鐘分別從晶元的引腳clka、clkb引入,對外部時鐘無占空比要求。如果要對更低頻率的訊號進行濾波處理,可採用max260晶元,它的工作頻率為0.01hz～7.5khz。輸入的低頻訊號可以直接送到max260晶元的輸入端(即ina或inb引腳),輸入訊號的幅度範圍為0v～+5v。
(2)程式設計引數
max262晶元有三個程式設計引數:中心頻率f0、q值和工作模式。
中心頻率由程式設計資料f0～f5控制,共64個不同的二進位制資料,每個資料對應乙個時鐘頻率fclk與中心頻率f0的比值fclk/f0。在文獻[1]的表2中給出了max262晶元的fclk/f0與程式設計資料f0～f5的對應關係。在系統實現時,可以採用查表的方法獲得程式設計資料。本文採用計算的方法來形成程式設計資料f0～f5。
q值由程式設計資料q0～q7控制,共128個不同的二進位制資料,每個資料對應乙個不同的q值,最小的q值為0.5,最大的q值為64(如果晶元工作在模式2則可達90.5)。在文獻[1]的表3中給出了程式設計資料q0～q7與q值的對應關係。
工作模式由程式設計資料m0m1控制,分別對應工作模式1、2、3和4。模式1可以實現低通、帶通和帶阻濾波;模式2基本與模式1相同,只是該模式可以獲得最高的q值;模式3是唯一可以實現高通濾波的模式;而只有模式4才能實現全通濾波,它和模式3也可以實現低通和帶通濾波。
程式設計引數f0、q值和工作模式確定以後,只要將相應的程式設計資料裝入max262晶元內部的暫存器,濾波器的型別和頻率特性也就確定了。
2 微控制器硬體設計
max262晶元的程式設計輸入匯流排比較簡單,它包括2條資料線d0d1,4條位址線a0～a3,另外還有一條寫允許控制線
本系統採用6264晶元擴充套件資料儲存器。由於74ls138解碼器使用89c51 p2口的高三位進行位址解碼,則6264的位址範圍為0000h～1fffh。
74ls138解碼器的輸出y2作為 8279晶元的片選訊號
89c51的
本系統選用模式1實現低通、帶通和帶阻濾波,模式3實現高通濾波,模式4實現全通濾波。其中,濾波器a和b的高通、帶阻和全通濾波輸出端分別共用max262的hpa、hpb引腳。需要處理的低頻輸入訊號分別由max262的ina和inb引腳輸入,濾波器a和濾波器b的三個輸出端分別連線到模擬開關4052的輸入端,然後由4052的輸出端輸出濾波處理後的訊號,即圖1中的outa和outb兩路輸出訊號。4052的位址a1、a0由89c51的p1.1、p1.0控制,實現對濾波器型別的選擇。
3 系統軟體實現方法
(1)程式設計資料獲得方法
max262的位址a0～a3與資料d0d1的關係見表1。由表1可見每個濾波器的工作模式、中心頻率、q值所需程式設計資料均需要分8次寫入max262的內部暫存器才能完成設定。
通過文獻[1]給出的fclk/f0與f0～f5的關係**,得到本文根據fclk/f0計算程式設計資料f0～f5的公式,即fclk/f0與f0～f5的關係為:
fclk/f0=40.84+1.57n1 (1)
或,n1=(fclk/f0-40.84)/1.57 (2)
其中,n1為二進位制資料f0～f5對應的十進位制整數,範圍為0～63共64級。
同樣,對應濾波器的q值也不採用查表的方法,而是通過計算來獲得q值的程式設計資料q0～q7。q值與q0～q7的關係為:
q=64/(128-n2) (3)
或, n2=64(2-1/q) (4)
其中,n2為二進位制資料q0～q6對應的十進位制整數,範圍為0～127共128級。
(2)系統程式流程
本系統的微控制器主程式框圖見圖2。首先進行初始化,包括對8279的初始化,然後從片內ram中讀取新設定標誌位進行判斷。如果不是則給max262晶元送入濾波器所需的初始工作引數;是新設定則根據鍵中斷服務程式獲得的鍵值進行處理。
進行新設定時,首先根據輸入的鍵值完成對濾波器的選擇,包括濾波器a和b的設定選擇以及相應濾波器的型別選擇;然後根據式(4),由輸入的q值計算n2並轉換為二進位制程式設計資料q0～q6送片內ram;同時根據式(2),由輸入的中心頻率f0值計算n1並轉換為二進位制程式設計資料f0～f5送片內ram。在獲得max262的工作引數後,根據表1將這些引數轉換為8位元組的程式設計資料,由89c51的p0口送到max262。
設定完成後,max262就按照當前所要求的中心頻率和q值對輸入訊號進行濾波處理。
最後呼叫顯示子程式,在led數碼管上顯示當前濾波器的工作引數,即中心頻率和q值。
本文採用微控制器89c51來完成對可程式設計濾波器max262的控制,很好地實現了有源濾波器的設計工作。而且這種程式控制濾波器具有使用靈活、除錯容易的特點,一片max262就能完成對兩路輸入訊號進行二階濾波的處理。
如果需要四階濾波可以很容易通過濾波器a和b的級聯來實現。另外還可以通過對89c51的ale訊號進行倍頻和分頻實現max262的所有工作頻率範圍。
參考文獻
1 鍾福元.可程式設計濾波器的原理及應用.實用電子文摘,1994;(3)
2 陳光東,趙性初.單片微型計算機原理與接**術.武漢:華中理工大學出版社,1993
3 鍾福元.採用pc機鍵盤控制的程式控制「變聲器」.實用電子文摘,1994;(3)
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