lmf100芯片的工频选频表设计硬件子系统
课题以单片机为控制核心，通过霍尔传感器对被测信号进行采集、然后可控增益放大器进行信号调理，再输入LMF100芯片进行带通滤波。系统能自动进行选择，筛选出符合条件的频率信号，从而滤除工频干扰。论文围绕基于LMF100芯片的工频选频表硬件部分进行分析和设计，具体研究工作如下通过举例工频干扰给人们生活带来的诸多困扰来阐述课题重要意义；介绍了SCF和仪器仪表的在历史中的发展进程以及未来发展的趋势；分析目前可以应用的方案，讨论整个电路的具体方案及可行性；根据课题的实际要求对微处理器的型号、符合课题要求的A/D的型号、滤波方案进行深入分析，突显出设计方案的实用性以及优越性； 详细地阐述选频表的设计方案，分析了设计系统的整体结构，以及讨论了整个系统各个硬件部分在整个系统中承担的功能。最后总结了自己在完成课题的过程中所学所感以及自己的设计方案还需进一步完善的地方。关键词 选频表，可控增益放大器，带通滤波，LMF100芯片
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3 工作安排 2
2 选频表的总体设计 3
2.1 选频表的设计思想 3
2.2 具体方案的讨论 3
3 硬件电路设计 4
3.1 系统框图 4
3.2 控制器 5
3.3 电源电路 6
3.4 信号检测电路 8
3.5 电压跟随器电路 10
3.6 可控增益放大器电路 11
3.7 LMF100芯片滤波电路 13
3.8 反向求和电路 17
3.9 A/D转换电路 19
3.10 显示电路和键盘电路 20
3.11 反向发大器电路 21
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录 27
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
21世纪是信息化时代，选频表在电子系统中已经成为一个不可或缺的组成部分。选频表是通信系统、信号处理和数据传送等领域中至关重要的环节。?普通的选频设备在工作时产生的误 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
差，会影响整个系统的精确度。精度比较低的选频表在使用时会造成很多不良后果，尤其是在电网系统中，如果谐波没有能够滤除，会使发电、输电和各种用电设备的工作效率降低。有的谐波会导致线路发热，甚至酿成火灾以及严重的事故。对人民的日常生活也会带来很多困扰。举些简单的例子：
（1）你正在跟家人通话，就因为谐波的影响就可能导致听不清楚对方说的话。除此之外，当工频干扰靠近人体也会对人产生伤害。
（2）我们能听到美妙动听的音乐，也是因为滤除了杂波。如果没有滤波器，我们连收看电视，广播都会成为问题。
（3）谐波也会影响电脑的正常运行，频繁出错，甚至死机都有可能。
（4）我们平时看到的电灯泡忽明忽暗，除了电压的不稳定因素之外，谐波的存在也是造成这一现象的原因。
（5）谐波还会使家里的电路保护装置发生误动，比如开关误跳闸。
总之，如果不能有效地虑除谐波，电网系统会受到严重威胁，人民的日常的生活将会受到严重的干扰，人民的生活的品质将会大打折扣。因此，对于滤波的重要性可想而知。这也是本课题的研究意义之所在。
1.2 研究现状和发展趋势
开关电容滤波器（SCF）
20世纪80年代，开关电容滤波器随着LSI技术进步而出现。二十世纪七十年代初，美国科学家弗雷德发现了用电容和开关模拟电阻R组成的滤波系统，它的性能是由电容的比决定的，与电容本身的值没有一点关系。就是这个结论对以后的开关电容滤波器的发展产生了深远的影响。二十世纪七十年代末，一些比较发达的国家意识到了开关电容滤波器芯片在当时那个年代的优越性，将其的制作工艺和技术列为高度机密。现在开关电容的技术已经渐渐地趋于成熟。开关电容滤波器开始采用MOS的制作工艺，此工艺被世人认为是二十世纪八十年代网络理论与集成工艺的完美结合和对传统制作工艺的突破。开关电容滤波器有众多优点：除了实现了大规模集成、精度提升地很高、功能比以前有了质的飞跃以外，它还具备了比数字滤波器设计简单、成本低廉等优势。
开关电容滤波器被广泛应用在仪器仪表、医疗和保健器械、通信和电网系统等诸多领域。有着光明的前景和商业、民用价值。纵观国内，上世纪八十年代才开始有高校导师和在校硕士生开始对这项工作进行研究和探讨[1]，并且逐渐开始真正重视对它的研究。值得一提的是，清华大学在1983年的时候已经制成单片的开关电容滤波器。几年之后，在成都工程学院和当地工厂的共同努力下，也成功研制出了单片开关电容滤波器。由于还有很多用户不了解开关电容滤波器，所以它的应用在国内还没有普及。
然而目前SCF技术还没有完全的成熟。还有很多课题需要进一步的研究和改善。例如：
（1）、开关电容自身的衍生电容使得以它为基础制作出的滤波器的频率响应发生了畸变[2]。
（2）、现阶段MOS开关和MOS运放的热燥声对滤波器动态范围的限制还没有得到妥善的解决。
（3）、受到运放和控制MOS开关的采样频率的限制，SCF仅能够在音频范围内应用。近几年虽然出现了无运放的开关电容电路，但其工作频率最高只有在1MHz以内[3]。
（4）、在灵敏度和噪声分析等方面还有很多课题需要研究。
近代仪器仪表的形成与发展
18世纪上半叶，在科学发展的带动下，大学教育与科研对仪器仪表需求的日益增长。科技工作者也开始致力于研究和开发标准的仪器和配套设施。在科学家和其他相关行业的共同努力下，生产出来了当时热门行业所需要的一系列仪表，至此仪器与仪表的组合形式出现在大众视野。
随着电磁理论的发展和对电磁波存在证明的出现,使得人们看到了实现无线测量的曙光。电磁效应的发现与应用，使原始的指针式仪器仪表正式成形。到20世纪初，随着工业化程度的不断提高，各行各业的电子仪器仪表如潮水般用现在人们面前，常见的有电子秤、万用表、单反上的测光标器、电子血压仪、化学检测仪等。电子仪器的产生使仪表从模拟式过渡到数字式。
1.3 工作安排
在综合部分国内外相关科研人员多年的研究成果，期刊文献的基础之上，本文主要围绕基于LMF100芯片的工频选频表设计方案的如何确立，每个重要组成部分的工作原理和在整个设计系统中所实现的功能，电气元件型号的选择和性能指标，硬件流程设计等一系列问题进行详细论述。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3 工作安排 2
2 选频表的总体设计 3
2.1 选频表的设计思想 3
2.2 具体方案的讨论 3
3 硬件电路设计 4
3.1 系统框图 4
3.2 控制器 5
3.3 电源电路 6
3.4 信号检测电路 8
3.5 电压跟随器电路 10
3.6 可控增益放大器电路 11
3.7 LMF100芯片滤波电路 13
3.8 反向求和电路 17
3.9 A/D转换电路 19
3.10 显示电路和键盘电路 20
3.11 反向发大器电路 21
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录 27
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
21世纪是信息化时代，选频表在电子系统中已经成为一个不可或缺的组成部分。选频表是通信系统、信号处理和数据传送等领域中至关重要的环节。?普通的选频设备在工作时产生的误 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
差，会影响整个系统的精确度。精度比较低的选频表在使用时会造成很多不良后果，尤其是在电网系统中，如果谐波没有能够滤除，会使发电、输电和各种用电设备的工作效率降低。有的谐波会导致线路发热，甚至酿成火灾以及严重的事故。对人民的日常生活也会带来很多困扰。举些简单的例子：
（1）你正在跟家人通话，就因为谐波的影响就可能导致听不清楚对方说的话。除此之外，当工频干扰靠近人体也会对人产生伤害。
（2）我们能听到美妙动听的音乐，也是因为滤除了杂波。如果没有滤波器，我们连收看电视，广播都会成为问题。
（3）谐波也会影响电脑的正常运行，频繁出错，甚至死机都有可能。
（4）我们平时看到的电灯泡忽明忽暗，除了电压的不稳定因素之外，谐波的存在也是造成这一现象的原因。
（5）谐波还会使家里的电路保护装置发生误动，比如开关误跳闸。
总之，如果不能有效地虑除谐波，电网系统会受到严重威胁，人民的日常的生活将会受到严重的干扰，人民的生活的品质将会大打折扣。因此，对于滤波的重要性可想而知。这也是本课题的研究意义之所在。
1.2 研究现状和发展趋势
开关电容滤波器（SCF）
20世纪80年代，开关电容滤波器随着LSI技术进步而出现。二十世纪七十年代初，美国科学家弗雷德发现了用电容和开关模拟电阻R组成的滤波系统，它的性能是由电容的比决定的，与电容本身的值没有一点关系。就是这个结论对以后的开关电容滤波器的发展产生了深远的影响。二十世纪七十年代末，一些比较发达的国家意识到了开关电容滤波器芯片在当时那个年代的优越性，将其的制作工艺和技术列为高度机密。现在开关电容的技术已经渐渐地趋于成熟。开关电容滤波器开始采用MOS的制作工艺，此工艺被世人认为是二十世纪八十年代网络理论与集成工艺的完美结合和对传统制作工艺的突破。开关电容滤波器有众多优点：除了实现了大规模集成、精度提升地很高、功能比以前有了质的飞跃以外，它还具备了比数字滤波器设计简单、成本低廉等优势。
开关电容滤波器被广泛应用在仪器仪表、医疗和保健器械、通信和电网系统等诸多领域。有着光明的前景和商业、民用价值。纵观国内，上世纪八十年代才开始有高校导师和在校硕士生开始对这项工作进行研究和探讨[1]，并且逐渐开始真正重视对它的研究。值得一提的是，清华大学在1983年的时候已经制成单片的开关电容滤波器。几年之后，在成都工程学院和当地工厂的共同努力下，也成功研制出了单片开关电容滤波器。由于还有很多用户不了解开关电容滤波器，所以它的应用在国内还没有普及。
然而目前SCF技术还没有完全的成熟。还有很多课题需要进一步的研究和改善。例如：
（1）、开关电容自身的衍生电容使得以它为基础制作出的滤波器的频率响应发生了畸变[2]。
（2）、现阶段MOS开关和MOS运放的热燥声对滤波器动态范围的限制还没有得到妥善的解决。
（3）、受到运放和控制MOS开关的采样频率的限制，SCF仅能够在音频范围内应用。近几年虽然出现了无运放的开关电容电路，但其工作频率最高只有在1MHz以内[3]。
（4）、在灵敏度和噪声分析等方面还有很多课题需要研究。
近代仪器仪表的形成与发展
18世纪上半叶，在科学发展的带动下，大学教育与科研对仪器仪表需求的日益增长。科技工作者也开始致力于研究和开发标准的仪器和配套设施。在科学家和其他相关行业的共同努力下，生产出来了当时热门行业所需要的一系列仪表，至此仪器与仪表的组合形式出现在大众视野。
随着电磁理论的发展和对电磁波存在证明的出现,使得人们看到了实现无线测量的曙光。电磁效应的发现与应用，使原始的指针式仪器仪表正式成形。到20世纪初，随着工业化程度的不断提高，各行各业的电子仪器仪表如潮水般用现在人们面前，常见的有电子秤、万用表、单反上的测光标器、电子血压仪、化学检测仪等。电子仪器的产生使仪表从模拟式过渡到数字式。
1.3 工作安排
在综合部分国内外相关科研人员多年的研究成果，期刊文献的基础之上，本文主要围绕基于LMF100芯片的工频选频表设计方案的如何确立，每个重要组成部分的工作原理和在整个设计系统中所实现的功能，电气元件型号的选择和性能指标，硬件流程设计等一系列问题进行详细论述。
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