以低功耗单片机MSP430F449为控制核心的滤波器系统设计

2020-09-21来源: elecfans关键字:低功耗  单片机  MSP430F449  控制核心  滤波器系统

在电子系统中,滤波器是数据采集、信号处理等方面不可缺少的重要环节,如信号采集前的噪声滤除,D/A转换输出的“阶梯状”滤波等等。一般的有源滤波器由运算放大器、RC元件组成,但这种滤波器的截止频率、Q值等参数都是固定不变的,在某些信号频率动态范围较宽的场合就不适宜使用。因此,有必要采取多种截止频率的滤波器,如程控滤波器,对动态范围较宽的信号进行滤波。美国Maxim公司生产的可编程滤波器芯片MAX262可以通过编程进行各种参数的设置,实现低通、高通、带通、陷波等处理,且滤波的特性参数如中心频率、品质因素等,均可以通过程序设置。


本文介绍以低功耗单片机MSP430F449为控制核心,通过凌特公司数字频率源芯片LTC69034产生时钟信号精确控制MAX262,以及其与外围电路构成能实现多种功能的新颖滤波器系统的设计。本设计最大特点在于数字频率源LTC6903与MAX262的结合使用,以及MSP430具有的低功耗功能,当系统超过一定时间没信号输入时程序可以自动关闭CPU进入节能省电模式。


1 系统设计方案

系统方案设计如图1所示,VCA810程控放大器作为信号输入的前级放大,其增益由单片机控制D/A芯片TLV5616输出电压来调节,步进精度可达1 dB,范围在-40~40 dB。滤波模块以可编程芯片MAX262作为核心,通过单片机MSP430和LTC69034程控时钟信号芯片进行截止频率的低步进调节以及品质因素的智能控制。

以低功耗单片机MSP430F449为控制核心的滤波器系统设计

图1 系统设计原理框图


本设计的特点之一在于MSP430具有低功耗性能,当系统末级超过一定时间没有检测到信号输入时,程序将自动关闭CPU并处于低功耗状态,直到有信号输入为止。这样的设计能使系统更为节能,防止无用地消耗能源。此外,系统附加了幅频特性测试模块,扫频信号由AD公司的AD9851来产生,频率步进精确到1 kHz。当信号从被测网络输出后通过AD637检测到有效值,再采用MSP430F449内部集成的A/D模块进行采样处理,最后驱动双口D/A在液晶显示幅频特性曲线。


2 硬件电路

2.1 前级放大模块

系统前级采用VCA810程控放大芯片,该芯片具有-40~40 dB增益连续可调的放大功能,其增益可由单片机控制D/A芯片TLV5616输出电压Vc给VCA810的3号引脚来调节,具体增益与电压的关系为:G(db)=-40·(Vc+1)dB。


如图2所示,信号输入系统经过同相放大后输出给后级,由于VCA810具有较宽的增益调节,对输入信号幅度要求较小,可以根据实际的信号大小来控制放大器的增益倍数,因此本系统可以用于小信号的滤波。此外,VCA810的带宽为25 MHz,故输入的信号可以达到较高的频率,大致可实现宽带的放大滤波功能。在调试过程中,由于VCA81 0控制引脚对噪声要求较高,尤其3号GAIN引脚对电压波动范围需要在mV级别以内,因此必须在靠近VCA810的3号脚加上钽电容10μF与0.1μF并联进行去耦,否则输出的信号效果比较差。

以低功耗单片机MSP430F449为控制核心的滤波器系统设计

图2 前级VCA81程控放大电路


2.2 滤波叠模块

MAX262具有A、B两个二阶开关电容有源滤波器,它由单片机精确控制滤波函数即可构成低通、高通、带通、带阻等滤波器,且有外围电路少、功能强大的优点。MAX262可在程序控制下设置中心频率fo,品质因素Q以及滤波器的工作方式。截止频率调节可有两种方式,方案1是固定fCLK与fo的比率,改变fCLK来调节;方案2是外部电路采用固定晶振给CLK时钟,改变fCLK与fo的比率关系来调节。由于系统要实现低步进调节,故采用前者方案。

以低功耗单片机MSP430F449为控制核心的滤波器系统设计

图3 MAX262模块外围电路图


如图3所示,为了得到稳定的时钟信号源,本设计采用凌特公司LTC69034产生可控的时钟信号给MAX262的CLKA与CLKB引脚。其输出时钟频率由以下公式决定;f=2oct·207 8/(2-DAC/1024)Hz。由于LTC69034输出频率步进精度高,时钟信号幅频非常稳定,在高频段可达到10kHz的步进。假设需要固定MAX262的fCLK与fo比率为100.53倍关系,故滤波器截止频率可在100Hz~40kHz之间以100Hz为连续步进调节。


此外,在调试过程中发现若直接将MSP430控制信号与MAX262连接,会对滤波器输出信号带来较大的噪声影响,因此在本设计中在MSP430与滤波器之间加上一级74HC573作为缓冲器,片选引脚OE由WR来控制,这样滤波器输出的信号效果得到了大大改善。


2. 3 幅频特性测试模块

本系统附加了幅频特性测试扩展功能。如图4所示为该模块的原理框图。当选择幅频特性测试菜单后,MSP430驱动DDS集成芯片AD9851产生正弦信号进行扫频,经过被测网络后再由有效值检测电路进行测量。由于二极管峰值检波电路在低频段无法测试,故本设计采用集成芯片AD637进行有效值检波,该芯片可在较低频率段精确测量,最高频率可达到8 MHz,完全满足设计要求,检波模块输出后经过单片机内部集成A/D模块采样后,再由MSP430驱动双口D/A芯片TLV5618输出并在液晶显示幅频特性曲线。

以低功耗单片机MSP430F449为控制核心的滤波器系统设计

图4 幅频特性测试模块原理框图


3 软件设计

本系统设计的软件流程如图5所示,上电后MSP430开始从系统末级通过AD采样判断是否有信号输入。当经过一定时间仍没有信号时,程序将关闭CPU,进入低功耗模式;若测得有信号输入则利用单片机驱动液晶显示Mode功能菜单,等待输入选择滤波器类型、前级程控放大器增益倍数以及滤波器的Q值、截止频率等各种参数,通过计算后对MAX262传输中心频率与品质因素数据。若用户开始菜单选择幅频特性测试仪,则由MSP430程序驱动AD9851产生扫频信号,经过被测网络后再由MSP430F449内部集成A/D模块采样有效值AD637的输出,通过计算并显示采样结果,得出幅频特性曲线,并在液晶上显示。

以低功耗单片机MSP430F449为控制核心的滤波器系统设计

图5 系统设计的软件流程


4 系统性能测试

1)幅频特性测试模块性能测试

单片机控制9851产生扫频信号,通过示波器观察滤波器幅频特性,将实测结果与幅频特性测试模块所得到的结果相比较,截止频率在100 Hz~40 kHz之间幅频特性测试误差在1%以内。

2)Q值调节测试

Q值可由编程数据Q0~Q7控制,每个数据对应一个不同的Q值,在100 Hz~40 kHz之间设置不同的截止频率,改变编程数据Q0~Q7,然后通过幅频特性测试算得Q值与理论值误差在2%以内。

3)截至频率控制性能测试

通过改变MAX262的时钟信号频率fCLK和频率控制字N来实现,设N为固定值,则截止频率由时钟频率fCLK决定,fCLK由MSP430单片机控制数字频率源LTC69034产生。经试验证明,LTC69034输出频率步进精度高,在高频段也可以达到10 kHz的步进,固定MAX262的fCLK与fo比率为100.53倍关系,测得滤波器的截止频率可以在100 Hz~40 kHz之间以100 Hz为连续步进调节,误差小于1%。

4)功耗测试

在实际电路系统功耗测试,整个系统在工作状态下功耗小于60 mW,低功耗模式下功耗小于10 mW,极大地降低了系统功耗。此款低功耗程控滤波器满足手持式装置的低功耗要求,因此在现实设备中具有较大的应用前景。


5 结束语

本系统基于MSP430F449单片机完成对可编程滤波器MAX262的控制,能很好地实现各种有源滤波器的设计工作。这种程控滤波器使用灵活、工作稳定、信号输出效果好,使用者可根据实际需要自行设置滤波器的Q值、截止频率、工作方式等。系统采用LTC69034可控时钟芯片,让滤波器的截止频率可以100Hz低步进调节,适用范围更广。前级程控放大器可达到40 dB的最大增益,故本设计可以输入较小的信号,且最小增益步进精度可为1 dB,可由使用者自定设置。系统还扩展了幅频特性测试模块并在液晶显示特性曲线。此外,MSP430具有低功耗特点,在系统超过一定时间不工作时可自行关闭CPU以节能省电,这也是本设计的最大特点之一。

关键字:低功耗  单片机  MSP430F449  控制核心  滤波器系统 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/mcu/ic510944.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:MSP430单片机中断的定义及原理
下一篇:MSP430单片机RTC实时时钟部分程序结构

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

CEVA联手Fluent.ai,提供智能边缘超低功耗语音理解解决方案
CEVA,全球无线连接和智能传感技术的授权许可厂商(NASDAQ:CEVA) 和小尺寸设备上多语言语音理解解决方案的领先提供商Fluent.ai宣布,两家企业合作为智能边缘设备提供超低功耗语音到意图(speech-to-intent)解决方案。Fluent.ai的语音到意图技术套件已针对CEVA的低功耗音频和传感器中枢DSP进行了移植和优化,为OEM和ODM厂商提供了功能强大的高性能解决方案,用于将智能语音激活和语音控制功能集成到可穿戴设备、消费类设备和物联网产品中。 Fluent.ai提供抗噪声的嵌入式多语言语音理解解决方案,能够在嵌入式的低功耗设备上完全离线运行。Fluent.ai的独有技术,可以支持
发表于 2020-09-30
CEVA联手Fluent.ai,提供智能边缘超<font color='red'>低功耗</font>语音理解解决方案
Semtech联手亚马逊,实现Amazon Sidewalk应用更低功耗
半导体产品及先进算法供应商Semtech公司宣布与亚马逊(Amazon)建立合作,共同开发其Amazon Sidewalk网络。Amazon Sidewalk是一种由众包组成的无线网络,它可以简化设备设置,扩展低带宽应用的使用范围,并在即使设备离线时也能提供有限的功能。该网络向客户免费提供。 Semtech的远距离、低功耗LoRa平台在应用于Amazon Sidewalk网络时,可扩展客户家庭网络的覆盖范围,以连接室外和室内的低带宽智能家居产品,这些产品包括智能照明、宠物追踪器、资产追踪传感器、智能灌溉,以及住宅所需的大量其他低成本设备。凭借更大的网络覆盖范围、移动性和低功耗等特性,LoRa平台能够快速部署大量安全的、低
发表于 2020-09-28
Semtech联手亚马逊,实现Amazon Sidewalk应用更<font color='red'>低功耗</font>
可靠性高、控制灵活、低功耗可调速风扇散热系统
、故障状态等信息。通过在散热系统中加入温度测量反馈,可根据待散热对象的温度情况,实时控制风扇的转速,取代单一固定转速的风扇散热系统,达到一定的节能效果。同时,可以在风扇发生故障失效或者温度过高时,做出状态预警和保护处理。其中,DRV8871电机驱动芯片,最大支持3.6A峰值电流,6.5V到45V的宽供电范围,集成过流保护、过温保护和休眠模式等功能。图1 系统框图此散热系统方案具有以下特点和优势:以温度作为反馈的可调速风扇散热系统I2C接口用于主机控制和读数据TI超低功耗系统微处理器MSP430灵活的双调速模式,主机控制和温度控制低成本的基于NTC的温度测量PWM的占空比控制分辨率达到0.5%系统故障检测和保护高效率、高可靠性的节能散热
发表于 2020-09-24
可靠性高、控制灵活、<font color='red'>低功耗</font>可调速风扇散热系统
隔空智能推业界首款uA级别的超低功耗微波雷达传感器
日前,在第十届松山湖中国IC创新高峰论坛上,隔空智能创始人、CEO 林水洋推荐了业界首款uA级别的超低功耗微波雷达传感器。低功耗雷达传感器完美替代PIR林水洋表示,低功耗雷达传感器可完美替代当前主流的红外热释电传感器,广泛应用于智能家具、智慧照明及物联网等需要人体存在感应的各类场景。相比PIR,雷达方案首先优势是感应范围更大;其次,无需搭配菲涅尔透镜,安装更方便,同时不对外观破坏红外传感器;第三是不受环境和温度影响;同时拥有PIR类似的功耗和成本。在包括感应灯、智能家居唤醒开关以及智慧安防、智能锁等领域广受好评。隔空智能为了方便消费市场开发者,推出了各种参考设计,以及自动化测试系统,并且已经获得了美国及欧洲的无线认证报告,完全可以
发表于 2020-09-23
一种采用MSP430F2274无线充电电路设计图
采用MSP430F2274超低功耗单片机作为无线传能充电器的监测控制核心,通过开关选择充电的速度,实现快速充电和常态充电功能,电能充满后给出充满提示且自动停止充电。无线充电系统主要采用电磁感应原理,通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电,或用24V直流电端直接为系统供电。当接收线圈与发射线圈靠近时,在接收线圈中产生感生电压,当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振,电压达最大值,具有最好的能量传输效果。通过2个电感线圈耦合能量,次级线圈输出的电流经接受转换电路变化成直流电为电池充电。交直流输入采用单刀双闸继电器,交流上电常开闭合,常闭打开实现交流优先,交流断电继电器断电
发表于 2020-09-22
一种采用MSP430F2274无线充电电路设计图
AT90S8515单片机SPI驱动74LS595源程序
AT90S8515使用SPI驱动74LS595。我这里使用了SS口线PB.4,作为74LS595的锁存信号,关键是把PB.4设置为输出。74LS595驱动发光管显示加1计数,我用SPI最高速度,所以显示16位计数高八位,低八位太快,看不清楚。单片机源程序如下://ICC-AVR application builder : 2020/3/30 22:23:31// Target : 8515// Crystal: 8.0000Mhz#include <io8515v.h>#include <macros.h>#define SS_ON PORTB |= BIT(4);     
发表于 2020-09-16
AT90S8515<font color='red'>单片机</font>SPI驱动74LS595源程序
小广播
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2020 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved