??? 摘? 要: 用單片機對可編程濾波器芯片MAX262進行程序控制,可以同時對兩路輸入信號進行二階低通、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頻率范圍內實現64級程控調節,其Q值在0.5～64范圍實現128級程控調節。?
??? 關鍵詞: MAX262? 單片機? 濾波器
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??? 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,對元器件的參數精度要求比較高,設計和調試都比較麻煩。美信公司(MAXIM)生產的可編程濾波器芯片MAX262可以通過編程對各種低頻信號實現低通、高通、帶通、帶阻以及全通濾波處理,而且濾波的特性參數如中心頻率、品質因數等也可以通過編程進行設置。?
??? 有源濾波器一般通過改變RC網絡的參數來改變頻率特性,采用運算放大器和可切換元件參數的RC網絡,可以用同一電路組成各種頻率特性的濾波器。美信公司的可編程濾波器芯片采用編程數據來完成RC網絡的切換。?
1 MAX262芯片介紹?
??? (1)內部結構?
??? MAX262主要由放大器、積分器、電容切換網絡(SCN)和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網絡(SCN)和工作模式選擇器分別由編程數據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。芯片的使用非常靈活,但它們均受同一組編程數據的控制。?
??? MAX262芯片的工作頻率為1Hz～140kHz。當時鐘頻率為4MHz,工作模式選擇為模式3時,芯片可以對140kHz的輸入信號進行濾波處理。其它工作模式的最高工作頻率為100kHz。濾波器A和B可以采用內部時鐘,也可以采用外部時鐘。外部時鐘分別從芯片的引腳CLKA、CLKB引入,對外部時鐘無占空比要求。如果要對更低頻率的信號進行濾波處理,可采用MAX260芯片,它的工作頻率為0.01Hz～7.5kHz。輸入的低頻信號可以直接送到MAX260芯片的輸入端(即INA或INB引腳),輸入信號的幅度范圍為0V～+5V。?
??? (2)編程參數?
??? MAX262芯片有三個編程參數:中心頻率f0、Q值和工作模式。?
??? 中心頻率由編程數據F0～F5控制,共64個不同的二進制數據,每個數據對應一個時鐘頻率fCLK與中心頻率f0的比值fCLK/f0。在文獻[1]的表2中給出了MAX262芯片的fCLK/f0與編程數據F0～F5的對應關系。在系統實現時,可以采用查表的方法獲得編程數據。本文采用計算的方法來形成編程數據F0～F5。?
??? Q值由編程數據Q0～Q7控制,共128個不同的二進制數據,每個數據對應一個不同的Q值,最小的Q值為0.5,最大的Q值為64(如果芯片工作在模式2則可達90.5)。在文獻[1]的表3中給出了編程數據Q0～Q7與Q值的對應關系。?
??? 工作模式由編程數據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。?
??? 編程參數f0、Q值和工作模式確定以后,只要將相應的編程數據裝入MAX262芯片內部的寄存器,濾波器的類型和頻率特性也就確定了。?
2 單片機硬件設計
??? MAX262芯片的編程輸入總線比較簡單,它包括2條數據線D0D1,4條地址線A0～A3,另外還有一條寫允許控制線
。單片機采用內部有4KB程序存儲器的89C51。它與MAX262芯片構成的雙路程序控制濾波器系統硬件配置原理框圖如圖1所示。?
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??? 本系統采用6264芯片擴展數據存儲器。由于74LS138譯碼器使用89C51 P2口的高三位進行地址譯碼,則6264的地址范圍為0000H～1FFFH。?
??? 74LS138譯碼器的輸出Y2作為 8279芯片的片選信號
,其地址范圍為4000H～5FFFH。經74LS373鎖存后的地址線A0送到8279的A0地址輸入端,所以選擇5FFFH作為8279的命令口地址,5FFEH作為8279的數據口地址。89C51的晶振選用12MHz,其ALE信號經4分頻后,得到頻率為500kHz的信號送到8279的CLK輸入端作為時鐘信號。8279采用中斷方式,占用89C51的外中斷0。8279采用8個七段LED顯示器,其鍵盤按鍵如下:10個數字鍵0～9,1個小數點鍵,5個功能鍵(即用于選擇濾波器的類型,低通、帶通、高通、全通和帶阻濾波),1個回車鍵,共17個按鍵。?
??? 89C51的
控制信號和74LS138譯碼器的Y1輸出信號相與后送到MAX262的寫允許控制端,則MAX262的地址范圍為2000H～3FFFH。MAX262的地址線AX(即A0～A3)和數據線DX(即D0D1)連接到89C51的P0口低六位,即A0～A3、D0D1分別連接到P0.0～P0.5。89C51的ALE信號送到MAX262的CLKA和CLKB引腳作為時鐘信號,即MAX262的外部時鐘頻率為2MHz,所以程控濾波器能處理的輸入信號頻率范圍為15kHz～50kHz,通過改變編程數據F0～F5實現64級中心頻率調節。?
??? 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信號分別由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接到模擬開關4052的輸入端,然后由4052的輸出端輸出濾波處理后的信號,即圖1中的OUTA和OUTB兩路輸出信號。4052的地址A1、A0由89C51的P1.1、P1.0控制,實現對濾波器類型的選擇。?
3 系統軟件實現方法?
??? (1)編程數據獲得方法?
??? MAX262的地址A0～A3與數據D0D1的關系見表1。由表1可見每個濾波器的工作模式、中心頻率、Q值所需編程數據均需要分8次寫入MAX262的內部寄存器才能完成設置。?
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??? 通過文獻[1]給出的fCLK/f0與F0～F5的關系表格,得到本文根據fCLK/f0計算編程數據F0～F5的公式,即fCLK/f0與F0～F5的關系為:?
??? fCLK/f0=40.84+1.57N1?????????????????????????????? (1)?
??? 或,N1=(fCLK/f0-40.84)/1.57????????????????????(2)?
其中,N1為二進制數據F0～F5對應的十進制整數,范圍為0～63共64級。?
??? 同樣,對應濾波器的Q值也不采用查表的方法,而是通過計算來獲得Q值的編程數據Q0～Q7。Q值與Q0～Q7的關系為: ?
????Q=64/(128-N2)???????????????????????????????? (3)?
或,?N2=64(2-1/Q)????????????????????????????????? (4)?
??? 其中,N2為二進制數據Q0～Q6對應的十進制整數,范圍為0～127共128級。?
??? (2)系統程序流程?
??? 本系統的單片機主程序框圖見圖2。首先進行初始化,包括對8279的初始化,然后從片內RAM中讀取新設置標志位進行判斷。如果不是則給MAX262芯片送入濾波器所需的初始工作參數;是新設置則根據鍵中斷服務程序獲得的鍵值進行處理。?
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??? 進行新設置時,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的設置選擇以及相應濾波器的類型選擇;然后根據式(4),由輸入的Q值計算N2并轉換為二進制編程數據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并轉換為二進制編程數據F0～F5送片內RAM。在獲得MAX262的工作參數后,根據表1將這些參數轉換為8字節的編程數據,由89C51的P0口送到MAX262。?
??? 設置完成后,MAX262就按照當前所要求的中心頻率和Q值對輸入信號進行濾波處理。?
??? 最后調用顯示子程序,在LED數碼管上顯示當前濾波器的工作參數,即中心頻率和Q值。?
??? 本文采用單片機89C51來完成對可編程濾波器MAX262的控制,很好地實現了有源濾波器的設計工作。而且這種程控濾波器具有使用靈活、調試容易的特點,一片MAX262就能完成對兩路輸入信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信號進行倍頻和分頻實現MAX262的所有工作頻率范圍。?
參考文獻?
1 鐘福元.可編程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口技術.武漢:華中理工大學出版社,1993?
3 鐘福元.采用PC機鍵盤控制的程控“變聲器”.實用電子文摘,1994;(3)