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综合硬件设计报告

成都信息工程学院电子工程学院

[硬件设计]

实验报告

题目：

硬件设计

专业：

电子与通信工程

班级：

2012级

姓名：

********

指导教师：

***

评分：

2013年01月09日

1硬件设计概述2

2设计主要内容3

2.1模拟低通滤波4

2.2放大5

2.3AD转换6

2.4数字带通滤波7

3软硬件测试9

3.1软件仿真9

3.1.1模拟低通滤波仿真9

3.1.2放大电路仿真11

3.1.3软件框架12

3.2硬件调试13

4设计总结13

4.1存在的问题与解决的方法13

4.2设计感想14

5附录15

综合硬件设计

1硬件设计概述

此次设计主要包括模拟滤波电路、放大电路、AD转换电路、数字滤波电路等部分。

数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。

数据采集技术广泛引用在各个领域。

比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。

被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。

在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。

而在数据采集中存在着各种噪声。

滤除噪声的方法有很多种，既有数字滤波器，也有模拟滤波器。

这里我们采用了基于单片机和C语言来设计并开发数字滤波系统。

我们针对于单片机数据采集系统中经常出现的随机干扰，通过手动输入来模拟数据采集过程，验证了几种使用较为普遍的克服随机干扰的单片机数字滤波算法，并给出了相应的C程序。

总的来说就是输入信号经过模拟滤波，进行预处理，保留感兴趣的信号，再通过放大器对其进行放大，以便进行AD转换，然后将放大后的模拟信号经过ADC转换成数字信号，最后通入单片机完成数字滤波。

2设计主要内容

设计内容主要包括模拟滤波、放大以及数字滤波部分。

这里我们使用了51系列单片机——AT89C51，利用这个单片机进行编程，实现对输入信号的滤波。

我使用了P0口作为接受AD转换的结果的端口。

另外还利用了P2作为控制端口，P2.0-P2.2用来控制AD转换器，而P2.3-P2.6外接四个开关，用来实现滤波方式的选择。

下图2-1是基本的流程图：

图2-1基本流程图

主要原理图如下：

2.1模拟低通滤波

根据要求设计一个模拟低通滤波器，滤波器要求通带范围为0~40KHz，在50KHz处衰减要达到40dB。

当椭圆滤波器通带和阻带波纹幅度固定时，阶数越高，则过渡带越窄，鉴于椭圆滤波器的这一特性，又考虑到过渡带10KHz内要达到40dB的衰减，选择设计一个5阶的椭圆滤波器。

设计主要通过filtersolutions10.0进行：

设计参数如图2.1-1所示：

图2.1-1椭圆低通滤波器设计参数

通过设置参数后，自动生成电路以及滤波器的基本信息如图2.1-2所示，0~40KHz通带最大衰减1dB，阻带50KHz处衰减达到41.95dB，满足滤波器的性能需求。

图2.1-2椭圆低通滤波器电路与基本信息

图2.1-3是椭圆滤波器的频率响应图，从图中可以看出在0~40KHz通带范围内，几乎没有衰减且呈现等波纹幅频特性，50KHz时幅度衰减了40dB，同时阻带也呈现出等波纹幅频特性。

相位特性的非线性是由于椭圆滤波器本身特性造成，在本次过程中不影响使用。

图2.1-3椭圆低通滤波器频率响应图

2.2放大

由于有的ADC无法采集负电压信号，所以在进行放大之前应先把交流信号的负电压部分上拉成正电压，这样ADC才能采集到。

上拉负电压方法如图2.2-1所示，运放采用芯片LM324。

图2.2-1上拉交流信号负电压电路图

如图2.2-1所示，将输入的交流信号加上一个直流信号，以达到拉高负电压的目的。

通过调节电位器R4的阻值，可以控制它分压的大小，调节直流信号的幅度，由于输入的是300mV的交流信号，所以加的直流信号至少为150mV。

进行完成之后紧接着对交流信号进行放大，放大电路如图2.2-2所示，同相放大电路，通过调节电位器R3，控制放大倍数。

图2.2-2同相放大电路

2.3AD转换

ADC芯片选用ADC0804，ADC0804是8位COMS依次逼近型的A/D转换器。

它的模拟电压输入范围为0~+5V，那么其能转换的最小电压由式（2.3）可求得为19.5mV，满足本次实验需求。

5V/（2^8）=19.5mV（式2.3）

ADC模块电路如图2.3-1所示，

图2.3-1ADC0804模块电路

2.4数字带通滤波

单片机设计一个带通滤波器，要求中心频率为10KHz,带宽±2KHz，通带最大衰减1dB，阻带最小衰减35dB。

数字带通滤波器首先通过Matlab设计，得到传输函数，再通过单片机实现。

Matlab主要设计程序如图2.4-1，同样采用椭圆滤波器，先设计模拟滤波器，再转成数字滤波器，最后通过函数变换得到二阶节型传输函数。

图2.4-1数字带通滤波器Matlab主要设计程序

数字带通滤波器的幅频相频特性如图2.4-2所示，达到设计的要求。

图2.4-2数字带通滤波器幅频与相频特性

鉴于以上的结果，然后用函数tf2sos将数字带通滤波器的传输函数转换成二阶节的形式，最后通过单片机实现。

3软硬件测试

测试主要分为两个部分，第一部分为制板之前对设计方案的软件仿真，主要使用Multisim软件，第二部分是对成品的硬件调试。

3.1软件仿真

3.1.1模拟低通滤波仿真

在Multisim中搭建如图2.1-2所示电路，用Agilent的函数发生器模拟输入不同频率的信号，用Tektronix的示波器观察输出信号的衰减情况，具体设置如图3.1-1所示。

图3.1-1模拟低通滤波器仿真电路

通过调节输入信号的频率，观察不同频率下电路的滤波情况，这里在通带频率与阻带频率中各进行几次仿真，结果如图3.1-2，3.1-3，3.1-4所示。

图3.1-210KHz输入输出情况

图3.1-340KHz输入输出情况

图3.1-2与图3.1-3上方的波形为输入信号波形，幅度为300mV，频率分别为10KHz和40KHz，下方的波形为输出波形，可见信号经过设计的模拟滤波器后幅度上有固定的衰减，大概160mV左右，这是由于设计的滤波器主要由无源器件搭建，在能量上必然有所损耗，这也是在滤波后级联放大电路的主要原因之一。

由图3.1-2和图3.1-3可以看出设计的滤波器在通带范围内有较好的一致性，除去固定衰减，滤波衰减较小，下面通过图3.1-4观察滤波器阻带范围衰减的情况。

图3.1-450KHz输入输出情况

图3.1-4所示，上方为输入信号波形，下方为输出波形，50KHz信号在通过低通滤波器后有了较大的衰减，除开电路的固定衰减，阻带的幅度衰减也达到了100倍左右。

综上可知，模拟低通滤波器的设计方案可行。

3.1.2放大电路仿真

放大电路分成上拉电压与放大两部分，在Multisim中搭建图2.2-1与图2.2-2中的电路，效果如图3.1-5所示。

图3.1-5放大电路仿真图

输入30KHz，300mV交流信号，示波器中得到的图型如图3.1-6所示，

图3.1-6放大电路示波器图形

图3.1-6所示，由上到下依次为输入信号波形，上拉后的信号波形以及放大后的信号波形。

从图中可以看出，输入信号的负电压加上一个直流信号后，已经被拉到了正电压上，再通过同相放大，幅值放大了6.8倍，根据式（3.1）计算可得放大倍数为7，基本符合。

（式3.1）

实际电路中，R8与R6使用电位器，这样只要控制R8与R6的阻值大小，就可以调节输入信号的上拉幅度和放大倍数。

以上仿真验证了放大电路的可行性。

3.1.3软件框架

3.2硬件调试

硬件调试部分由老师现场亲自检查。

4设计总结

4.1存在的问题与解决的方法

在上拉交流信号负电压的电路中，会出现“直流不直”的现象。

设计中为了采集到负电压信号，理论上使用的方法是加入直流信号，以达到上拉负电压的目的。

但在实际操作过程中，加入的并不是标准的直流，图4.1-1是上拉电压仿真图，图4.1-2是电路各点信号图。

图4.1-1上拉电压仿真图

图4.1-2上拉电压各点信号图

通道1是5V直流电源，通道4是函数发生器输出的30KHz交流信号，通道2是分压后的直流电源，但可以看到此时直流信号已经受到了交流干扰，这个交流干扰应该来自于函数发生器输出的交流信号。

本身设想的是通道1的直流信号与通道3信号相加，实际上却是形如通道2的信号与通道3信号相加，但这不会对我们的设计产生影响。

通过观察可以看到通道2的信号与通道3的信号周期一致，相位也相同或者相差整数个周期，且波峰对波峰，波谷对波谷，这样不仅起到了上拉的作用，而且还对信号进行了放大。

4.2设计感想

这次整个综合设计通过了软件和硬件上的调试。

我想这对于我们以后的学习和工作都会有很大的帮助。

在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。

一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。

对于数字滤波系统，其程序不是很难的，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。

这次课程设计让我充分认识到要学会借鉴别人的思想的重要性，很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。

因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。

通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。

小组人员的配合﹑相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。

所以我认为这次的课程设计意义很深，和**，**2位同学的共同学习﹑配合﹑努力的过程也很愉快。

5附录