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裸片初长成(高级)

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基于单片机控制的程控有源滤波器电路 [复制链接]

1 引言
有源滤波器广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制领域,但设计可变宽频带有源滤波器则比较困难。利用单片机控制参数可编程的双二阶通用开关电容有源滤波器,精确设置有源滤波器的中心频率fO,品质因数Q及有源滤波器的工作方式。
2 开关电容有源滤波器工作原理
开关电容有源滤波器的基本原理是在电路两节点之间接具有高速开关的电容器,等效于两节点之间连接一只电阻。图1(a)是一个有源RC积分器,图1(b)是采用一只接地电容C1和CMOS开关T1、T2替代输入电阻R1。图1(c)是不重叠的两相时钟脉冲,用于驱动T1、T2。时钟频率fCLK高于信号频率。当φ1为高电平时,T1导通(视短路)而T2截止(视开路),此时C1与输入信号VI相连并充电(如图1(d)所示),即有电荷qcl=C1V1。当φ2为高电平时,T1截止而T2导通,此时C1与输入信号VI断开而接至运算放大器的输入端,C1放电,充电电荷qc1传输至C2。每一时钟周期Tc内,从信号源提取的电荷qcl=C1VI提供至积分电容器C2。因此,在节点1、2之间流过的平均电流为iav=C1VI/TC。若TC足够短,可近似认为这一过程是连续的,因而可在两节点间定义一只等效电阻Req,即Req=VI/iav和Req=Tc/C1。这样可得到等效积分器时间常数τ,即τ=C2Req=TCC2/C1。显然,滤波器频率响应的时间常数τ取决时钟周期TC和电容比值C2/C1,而与电容的绝对值无关,集成电路工艺制作小容量电容易于实现。当电容比值恒定时,改变时钟频率,就可改变滤波器的截止频率,即开关电容滤波器的基本工作原理。
3 MAX262简介
MAX262是美国Maxim公司生产的双二阶通用开关电容有源滤波器,其引脚功能及内部框图如图2所示。MAX262内部集成有2个结构相同的二阶通用开关电容有源滤波器及1个独立的运算放大器OP。这两个有源滤波器既可独立使用,也可串联使用。对滤波器的工作方式,中心频率fO,品质可通过D0D1,A0~A3端口线在WR上升沿写入所选中的内部单元来设置滤波器的工作方式、中心频率fO以及品质因数Q等参数。详见表1所列。其中,中心频率fO的范围为1 Hz~140 kHz。fCLKA和FCLKB为内部开关电容网络所需的外部时钟,一般为中心频率fO的几十至上百倍。
表1中MOM1为工作方式,仅在地址为A3A2A1A0=0000(或1000)时才能写入。F0~F5为fO控制字,Q0~Q6为品质因数Q的控制字。D0D1=00时为工作方式1,实现LP(低通)、BP(带通)、N(陷波)功能:DOD1=01时为工作方式2,实现区别于工作方式1的LP(低通)、BP(带通)、N(陷波)功能;D0D1=10时为工作方式3,实现LP、BP、HP(高通)功能;D0D1=10时,若使用独立运放OP为工作方式3A,实现有别于工作方式3的LP、BP、HP功能。D0D1=11时为工作方式4,实现LP、BP、AP(全通)功能。MAX262有INA、INB两个信号输入端,允许最大输入电压振幅为%26#177;4.7 V。

4 程控有源滤波器硬件电路设计
程控有源滤波器硬件电路框图如图3所示。利用89C51控制键盘显示器8279、可编程计数器8254、可编程有源滤波器MAX262。其中8254是3通道16位可编程计数器,计数时钟频率可达10 MHz,可向MAX262提供精确的时钟频率fCLKA和fCLKB。
本系统设计要求滤波器可设置为低通,其-3 dB截止频率fc在1 kHz~20 kHz调节频率的步进值为1 kHz内要求在2fc处滤波器幅频特性下降不小于10 dB;同时滤波器可设置为高通滤波器,其fc范围及步进值与低通模式相同,其要求0.5fc处滤波器幅频特性下降不小于10 dB。将滤波器A设置为工作方式1,滤波器B设置为工作方式3。二阶有源低通滤波器的传递函数为:GL(s)=HOLP[(ω0/(s2+2ω0/Q+ω0)],(HOLP为直流增益)。令|GL(s)|为0.707HOLP处的频率为fc,则

经计算当Q=0.7时,fc=f0,2fc处幅频增益为-12 dB(实测小于-12 dB),满足要求。对于高通滤波器当q=0.7时,同样要求增益在fc=f0处下降3 dB,而在0.5fc处幅频增益为-12 dB。根据参考文献提供的数据,fCLKA/f0(或fCLKB/f0)的比值必须高于40.84。滤波器工作在方式1或方式3时,fCLK/f0=[π(26+N1)]/2,N1为F0~F5的值,取N1=10,则fCLK/fO=56.55。Q=64/(128-N2),因为Q=0.7,所以N2=Q0~Q5=37。当fO=1 kHz时,fCLKB=56.55 kHz。

5 程控方式的实现
由MAX262工作原理可知,当工作方式、F0~F5、Q0~Q5值写入MAX262后,若要对滤波器的工作频率fO实现步进值为1 kHz的程控,只要使fCLKA/fO(或fCLKB/fO)的比值为56.55即可。本电路设计采用8254可编程计数器产生fCLKA和fCLKB。8254是3通道
16位可编程计数器,最高计数脉冲频率fCLK为10MHz,当被设置为工作方式3时为方波发生器输出,通道0的输出作为fCLKA,通道1的输出作为fCLKB。由于8254是16位可编程计数器,经其分频后输出方波的频率fCLKA和fCLKB对fO的比值接近56.55,若fCLKA、fCLKB为固定值,用F0~F5的设置时,fCLKA/fO或fCLKB/fO仅有64种选择,显然精度较低。当通过键盘输入fO值后,单片机计算出相应的分频系数MA、MB写入8254。若步进值为固定值,则将对应fO的MA、MB以表格形式进行存储,直接查表即可。

6 结束语
基于单片机控制的可编程有源滤波器可实现低通、高通、带通、陷波、全通滤波器。在程序控制下可精确地改变滤波器的带宽、中心频率及品质因数Q,经实际测试效果良好。当MAX262作为低通滤波器使用时,为了抑制开关频率fCLKA产生的噪声,可在滤波器的输出端串联一个截止频率小于最低fCLKA的连续时间的低通滤波器,其效果更好。
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裸片初长成(高级)

沙发
 

基于ATmega8L的智能LED紧急刹车灯的设计

1 引言
汽车发生追尾的真正原因是因为前后车“刹车不同步”。急刹车时,后车司机始终滞后于前车,对于120 km/h的车速,需要向前多冲17米。哪怕向前少冲1米,也许就少发生一场追尾事故。LED车灯具有反应速度快,辨识效果好,耐震性强等特性。智能LED紧急刹车灯系统是在车辆紧急刹车时,利用LED车灯优异的特性快速点亮刹车灯,警示后车,从而避免事故发生。本文以ATmega8L单片机为核心给出一种智能LED刹车灯的设计方案,该系统设计利用加速度传感器迅速获取车辆加速度的变化,并将结果传输至ATmega8L单片机,ATmega8L单片机再对接收到的信息进行判断、处理,并根据结果决定是否点亮紧急刹车灯。
2 器件选型
2.1 ATmega8L简介
本系统设计选用美国Atmel公司推出的AT-mega8L器件,它是基于增强的AVR RISC 结构的低功耗8位CMOS微控制器,增强型RISC内载Flash的单片机,片上Flash存储器附在用户产品中,可随时编程,易于用户产品设计,便于产品更新。AT-mega8L具有先进的指令集和单时钟周期指令执行时间,其数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,从而缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。同时,ATmega8L内部集成有增强RISC 8位CPU与在线系统编程和应用编程的Flash存储器,使其成为功能强大的单片机,为许多嵌入式控制应用提供了灵活且低成本的解决方案。
ATmega8L内含8 KB的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1KB SRAM,32个通用I/O端口线,32个通用工作寄存器,3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,面向字节的两线串行接口,10位6路(8路为TQFP与MLF封装)A/D转换器,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,1个SPI串行端口,以及5种可通过软件选择的省电模式。
2.2 MMA1260D简介
本系统设计选用MMA1260D作为加速度传感器。MMA1260D是一款1.5 g的z轴向加速度传感器,它由G-单元和信号调理ASIC电路两部分组成。其中,G-单元是机械结构,采用半导体制作技术、由多晶硅半导体材料制成,并且密封。而信号调理ASIC电路是由积分、放大、滤波、温度补偿、控制逻辑和EEPROM相关电路、振荡器、时钟生成器、以及自检等电路组成,用于完成G-单元测量的电容值向电压输出的转换。
G-单元相当于在两个固定的电容极板中间放置一个可移动的极板。当加速度作用于系统时,中间极板偏离静止位置。利用中间极板偏离静止位置的距离测量加速度,中间极板与一个固定极板的距离增加,而与另一个固定极板的距离减少,且距离变化值相等。距离的变化使得两极板间的电容改变,电容值的计算公式:C=Ae/D,其中A是极板的面积,D是极板间的距离,e是电介质常数。信号调理ASIC电路将G-单元测量的两电容值转换为加速度值,并使加速度与输出电压成正比。滤波单元由二阶开关电容滤波器组成,用Bessel实现平稳的延时响应,从而将脉冲完整保留。自检单元用于保证G-单元和加速计中的电路工作正常,在G-单元中有4个极板,当ST引脚施加高电平时,校准电压加在自检极板和中间极板之间,在电场的作用下使中间极板移动,由信号调理ASIC电路测得的偏移应与输出电压成比例。

3 硬件电路设计
本系统设计的硬件电路主要是由单片机控制电路、传感器与单片机的接口电路、电源电路、发光二极管阵电路等组成。图1所示为系统硬件结构原理图。
3.1 单片机控制电路
单片机控制电路由Atmel公司的ATmega8L型单片机、滤波电容和A/D转换电路构成,用于采集加速度传感器信号,将采集到的信号与预先设置的阈值相比较,控制发光二极管的闪烁,如图2所示。ATmega8L每个端口引脚都有3个寄存器位:DDxn、PORTxn和PINxn。DDxn位于DDRx寄存器,PORTxn位于PORTx寄存器,PINxn位于PINx寄存器。DDxn用于选择引脚方向,DDxn为“1”时,Pxn设置为输出,否则设置为输入。当引脚置为输入时,PORTxn为“1”,上拉电阻使能。如果需要关闭该上拉电阻,可将PORTxn清零,或者将该引脚置为输出。复位时各引脚为高阻态,即使此时并没有时钟在运行。当引脚配置为输出时,若PORTxn为“1”,引脚输出高电平,否则输出低电平。ATmega8L判断和处理加速度传感器MMA1260D测得的信息,若能满足条件则通过PD0、PD1、PD2引脚产生3路信号施加到3个继电器依次对内、中、外三圈的LED灯进行点亮与熄灭控制。若不满足条件,则ATmega8L不
输出信号。
3.2 传感器与单片机的接口电路
MMA1260D加速度传感器对汽车加速度数据进行采集并通过ATmega8L的PC0端口(ADC0)传输至ATmega8L,MMA1260D加速度传感器的输出电压与加速度成正比。为了测量加速度传感器的输出电压,通常使用带有A/D的微控制器,具体连接如图3所示。VOUT与A/D IN引脚之间的RC具有滤波,用于减小时钟噪声。加速度传感器与微控制器之间不能存在大电流。电源与地之间的0.1 μF电容为去耦电容。加速度传感器要尽可能的靠近微控制器放置。同时为了使体积尽可能小,器件通常选用表贴封装。
3. 3 稳压电源电路
稳压电源电路由7805组成,可将外接电源转换为稳定的+5 V电源,并由VOUT输出,向ATmega8L和MMA1260D提供稳定的5 V电源。该电路主要由二极管、电阻、三端稳压管、电容构成。当紧急刹车时,+12 V先通过电阻降压(主要是为了三端稳压管散热),然后再通过三端稳压管电路稳定于+5 V,并与单片机、发光二极管及加速度传感器电路连接。
3.4 发光二极管阵电路
发光二极管电路由LED、二极管和电阻构成,LED车灯的放置遵循由内到外摆成3圈,用于紧急刹车灯时由内→中→外→内循环点亮熄灭,且亮度较高,以此警示后面的司机注意刹车。该电路主要由ATmega8L单片机的3个引脚控制,其LED车灯放置如图4所示。
4 软件设计
根据系统硬件设计的相关要求,软件设计用于完成系统的初始化、对加速度传感器信号提取与分析,并根据设置的门限来决定是否点亮紧急灯。系统软件流程设计如图5所示。通过对ATmega8L进行嵌入式C语言编程,实现紧急刹车灯功能。一旦系统满足门限条件,软件编程可使内、中、外三圈灯通过延时不断以高亮度闪烁,并循环判断条件来决定是否继续点亮刹车灯,这样就易于引起后面汽车司机的警觉。一旦门限条件不满足,刹车灯熄灭,单片机继续等待中断。
5 结束语
本文讨论基于ATmega8L的智能LED紧急刹车灯的方案,简要介绍了系统各个硬件模块,利用中断控制来增强小车的智能性,并给出系统软件设计流程。该系统各部分功能模块化,易于调试,易于扩展其他功能。本设计应用前景良好。避免汽车追尾事故的发生,尤其是在夜晚,具有良好的安全效应。
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