新器件新技术 N EW PRODUC T & T EC H 基于可编程芯片 MA X262 的有源滤波器 ■罗定职业技术学院 邓重一 摘 要 关键词 MAX262 是美国 Maxim 公司推出的可编程开关电容型通用滤波器 。本文介绍该芯片的内部结构 、特性 以及功能 ,并利用该集成电路和单片机等其他电路设计典型的滤波器应用电路 。 可编程 开关电容滤波器 单片机 MAX262 芯片 引 言 在电子电路中 ,滤波器是不可或缺的部分 ,其中有源 滤波器更为常用 。一般有源滤波器由运算放大器和 RC 元件组成 ,对元器件的参数精度要求比较高 ,设计和调试 也比较麻烦 。美国 Maxim 公司生产的可编程滤波器芯片 MAX262 可以通过编程对各种低频信号实现低通、高通、带 通、带阻以及全通滤波处理 ,且滤波的特性参数如中心频率、 品质因数等 ,可通过编程进行设置 ,电路的外围器件也少。 本文介绍 MAX262 的情况以及由它构成的滤波器电路。 1 MAX262 芯片介绍 MAX262 芯片是 Maxim 公司推出的双二阶通用开关 电容有源滤波器 ,可通过微处理器精确控制滤波器的传递 函数(包括设置中心频率 、品质因数和工作方式) 。它采用 CMOS 工艺制造 ,在不需外 部元件的情况下就可以构成 各种带通 、低通 、高通 、陷波 和全通滤波器 。图 1 是它的 引脚排列情况 。 V + ———正电源输入端 。 V - ———负电源输入端 。 GND ———模拟地 。 CL KA ———外接 晶 体 振 荡器和 滤 波器 A 部 分 的 时 图 1 MAX262 引脚 钟输入端 ,在滤波器内部 ,时钟频率被 2 分频 。 CL KB ———滤波器 B 部分的时钟输入端 ,同样在滤波 器内部 ,时钟频率被 2 分频 。 CL KOU T ———晶体振荡器和 R2C 振荡的时钟输出端 。 OSCOU T ———与晶体振荡器或 R2C 振荡器相连 , 用 于自同步 。 INA 、INB ———滤波器的信号输入端 。 BPA 、BPB ———带通滤波器输出端 。 L PA 、L PB ———低通滤波器输出端 。 HPA 、HPB ———高通 、带阻 、全通滤波器输出端 。 WR ———写入有效输入端 。接 V + 时 ,输入数据不起 作用 ;接 V - 时 ,数据可通过逻辑接口进入一个可编程的 内存之中 ,以完成滤波器的工作模式 、f 0 及 Q 的设置 。此 外 ,还可以接收 T TL 电平信号 ,并上升沿锁存输入数据 。 A0 、A1 、A2 、A3 ———地址输入端 ,可用来完成对滤波 器工作模式 、f 0 和 Q 的相应设置 。 D0 、D1 ———数据输入端 ,可用来对 f 0 和 Q 的相应位 进行设置 。 OP OU T ———MAX262 的放大器输出端 。 OP IN ———MAX262 的放大器反向输入端 。 图 2 是 MAX262 的内部结构 。MAX262 由 2 个二阶 滤波器( A 和 B 两部分) 、2 个可编程 ROM 及逻辑接口组 成 。每个滤波器部分又包含 2 个级联的积分器和 1 个加 法器 。该电路的主要特性有 : ① 配有滤波器设计软件 ,可 改善滤波特性 ,带有微处理器接口 ; ② 可控制 64 个不同 的中心频率 f 0 、128 个不同的品质因数 Q 及 4 种工作模 式 ; ③ 对中心频率 f 0 和品质因数 Q 可独立编程 ; ④ 时钟 频率与中心频率比值 ( f / clk f 0 ) 可达到 1 % ( A 级) ; ⑤ 中心 频率 f 0 的范围为 75 k Hz 。 图 2 MAX262 内部结构 44 20051 5 图 3 是控制数据输入时序 。可在 WR的下降沿经逻 辑接口给滤波器 A 、B 中的 f / clk f 0 、Q 及工作模式控制字 分别赋予不同的值 ,从而实现各种功能的滤波 。 图 3 控制数据输入时序 2 电路原理及设计过程 2. 1 硬件设计 图 4 是按上述要求设计的滤波电路 。 图 4 滤波电路 单片机选用 A T89C52 。A T89C52 是一种低功耗 、高 性能 的 CMOS 型 8 位 微 型 计 算 机 ; 有 8 KB 的 Flash , 256 B 的 RAM ,32 线 位定时器/ 计数器 ,6 向量两级中断 ,1 个双工串行口 ; 具有片内自激振荡器和 时钟电路等标准功能 。此外 ,A T89C52 设有静态逻辑 , 用 于运行到零频率 ,并支持软件选择的节电运行方式和空闲 方式 ,使 CPU 停止工作 ,而允许 RAM 、定时/ 计数器 、串行 口和中断系统继续工作 。在掉电方式下 ,片内振荡器停止 工作 。由于时钟被冻结 ,一切功能都停止 ,只有片 内 RAM 的内容被保存 ,直到硬件复位才恢复正 常工作 。该电路由芯片 A T89C52 的 P1 口来控 制 ,由单片机的 P1. 0～ P1. 5 口及 P1 . 7 将数据送 入存储器 54 HC373 存起来 ,再送入 MAX262 。通 数据位 D0 D1 M0A M1B F0A F1A 过设置相应的参数 ,可实现带宽为 30～50 k Hz 的 F2A F3A F4A F5A 带 通 滤 波 。抗 干 扰 电 路 选 用 X25045 芯 片 。 Q0A Q1A X25045 有三种功能 : 看门狗定时器 、电压监测 、 Q2A Q3A E2 PROM 。看门狗电路在系统出现故障 ,程序“跑 Q4A Q5A Q6A N EW PRODUC T & T EC H 新器件新技术 飞”时 ,会产生复位信号 ,使系统复位 。电压监测可以保护 系统免受低电压状态的影响 。当 VCC 降到最小 VCC 转 换点以下时 ,系统复位 ,一直到 VCC 返回且稳定为止 。在 滤波器输 出 中 , 显 示 器 选 用 大 连 东 方 显 示 器 材 公 司 的 EDM 1601 。它是 16 列 ×1 行 的 液 晶 显 示 器 组 件 , 与 CPU 接口简单 、功耗低 、编程方便 。键盘操作时可能会由 于逻辑输入跃变而产生某些噪声 。为避免出现这种情况 , 在输入的数字线接有逻辑门缓冲 (图 4 中未画) 。 2. 2 软件部分 采用汇编语言编程 , MA X262 的地址 A0～ A3 与数据 D0 D1 的关系如表 1 所列 。由表 1 可看出 ,每个滤波器的工 作模式 、中心频率 f 0 、品质因数 Q 值所需编程数据 ,均需 分 8 次写入 MAX262 的内部寄存 器才能完成设置 。系统的主程序 流程(单片机主程序) 如图 5 所示 。 首先进行初始化, 然后从片内 RAM 中读取新设置标志位进行判 断 :如果不是 ,给 MAX262 芯片送 入滤波器所需的初始化工作参数 ; 如果是新设置 ,则根据新建中断服 务程序获得的键位进行处理 。进 行新设置时 ,首先根据输入的键值 完成对滤波器的选择 ,包括滤波器 A 和 B 的设置选择 ,以及相应滤波 器的类型选择 。然后 ,由 Q 值计算 N 并转换成二进制编程数据 Q0 ～ 图 5 系统主程序流程 Q6 送片内 RAM ,由输入的中心频 率 f 0 值计算 N1 。N 为二进制数据 Q0 ～Q6 对应的十进制 整数 , 范围为 0～127 , 共 128 级 ; N1 为二进制数据 F0 ～ F5 对应的 十 进 制 整 数 , 范 围 为 0 ～ 63 , 共 64 级 。在 获 得 MAX262 的工作参数后 ,根据表 1 将这些参数转换为 8 字 节的编程数据 。由 A T89C52 的 P1 口通过 54 HC373 送入 MAX262 。设置完成后 ,MAX262 就按照当前所需求的中 心频率 、Q 值 和 滤 波 器 工 作 方 式 对 输 入 信 号 进 行 滤 波 处理 。 表 1 地址分配表 滤波器 A 地 址 A3 A2 A1 A0 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 键值 0 1 2 3 4 5 6 7 数据位 D0 D1 M0B M1B F0B F1B F2B F3A F4B F5B Q0B Q1B Q2B Q3B Q4B Q5B Q6B 滤波器 B 地 址 A3 A2 A1 A0 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 键值 8 9 10 11 12 13 14 15 45 20051 5 Microcontrollers & Embedded Systems 新器件新技术 N EW PRODUC T & T EC H 3 应用实例 下面分析由 MAX262 设计的切比雪夫 I 型四阶带通 滤波器的工作情况 。 设计要求 :中心频率 f 0 = 40 k Hz , Q = 50 。选晶振频 率为 6 M Hz , 晶振二分频后为 3 M Hz , 即 f clk = 3 M Hz , f / clk f 0 = 75 . 53 。通过查参考文献 [ 5 ] ,可得 N1 = 4 ; 通过 参考文献[ 5 ] 给出的 f clk/ f 0 与 F0 ～ F5 的关系表格 , 得到 本文根据 f clk/ f 0 计算编程数据 F0 ～ F5 的公式 , 即 f clk/ f 0 与 F0 ～ F5 的关系为 : f clk/ f 0 = 40 . 84 + 1 . 57 N 1 。 同样 ,对应滤波器的 Q 值也是通过计算来获得 Q 值 的编程数据 Q0 ～ Q6 的 。Q 值与 Q0 ～ Q6 的关系为 : Q = 64/ (128 - N) 。其工作模式为模式 2 , F5 ～ F0 为 000100 , 品质因数 Q6 ～ Q0 为 0100000 , M1 M0 为 01 , 编程输入为 。 滤波器的传递函数为 H( s) = S4 + ( Bω0 / Q) S3 ( kcω20 / Q2 ) S2 + (2 + C/ Q2 )ω20 S2 + ( Bω30 / Q) S + ω4 0 式中的 B 、C 值可按上述要求算出来 。 图 6 是由 PSPICE 作出的该滤波器的频率响应曲线 。 结 语 采用单片机 A T89C52 完成对可编程滤波器 MAX262 的控制 ,能很好地实现有源滤波器的设计工作 。这种程控 滤波器具有使用灵活 、调试容易及工作性能稳定等特点 。 它只要 1 片 MAX262 通过滤波器 A 和 B 的级联就能很容 易完成 四 阶 滤 波 器 电 路 的 设 计 。另 外 , 还 可 以 通 过 对 A T89C52 的 AL E 信号进行倍频和分频 ,实现对 MAX262 的所有工作频率范围的覆盖 。该电路稍加改动后 ,还可通 过对不同参数和 N 值的设置 ,来实现全通 、低通 、高通 、带 阻等滤波器的设计 。 参考文献 1 王楚 ,余道衡. 电子线路原理 [ M ]. 北京 : 北京大学出版社 , 1995 2 余永权. FL ASH 单片机原理及应用[ M ] . 北京 :电子工业出 版社 , 1997 3 席德勋. 现代电子技术[ M ]. 北京 :高等教育出版社 ,1999 4 周宇华. 开关电容滤波器综述[J ] . 电子科学技术 ,1983 (10) 5 刘强 ,郭文. MAXIM 热门集成电路使用手册 [ M ] . 北京 :人 民邮电出版社 , 1997 图 6 切比雪夫 Ⅰ型四阶带通滤波器的频率响应曲线 邓重一 :副教授 ,研究方向为检测技术 、信号处理 、EDA 技术 、电磁兼 容技术 。 (收稿日期 :2004212215) 嵌入式系统 T EN GIN E 技术中国论坛在北大举行 3 月 8 日下午 “, 嵌入式系统 T - EN GIN E 技术中国论坛 (2005) ”在北京大学英杰交流中心阳光大厅拉开序幕 。本次论坛由日本 东京大学 T EN GIN E 研究中心 、北京大学软件与微电子学院 、中科院计算技术研究所《、计算机世界》杂志社共同主办 。中国软件行 业协会《、计算机世界》杂志社 、信息产业部 、中科院计算技术研究所 、中国家用电器研究院等单位领导出席了论坛 。 东京大学的坂村健教授就开放源代码实时操作系统内核 TRON ( The Real2time Operating System Nucleus) 项目以及此项技术在 汽车电子 、手机 、数码相机和其他数字家电等多个领域的应用进行了介绍 。坂村健是 TRON 嵌入式操作系统的创立者 。该系统在微 处理器中运行 ,目前主要应用于数码相机 、汽车引擎控制器 、手机通信等领域 。据统计 ,在全球用于家电的处理器中 ,使用 TRON 的超 过 60 %。TRON 在开放程度上甚至超过 Linux ,而坂村先生并未因此获利 。坂村先生以 TRON 为基础进行以随时随地计算为目的的 普适计算的研究 。T EN GIN E 是 TRON 的软件开发平台 ,现有标准规格定义的各种开发板 T Engine 、μT Engine 、n T Engine 、 p T Engine 。 本次论坛之后 ,由东京大学派出的三名讲师为中方学员进行为期三天的“T EN GIN E 技术培训”。 46 20051 5
