基于数字电位器的多频段带通滤波器设计

【摘要】通过单片机系统控制数字电位器的阻控值，实现了滚动轴承振动信号的多频段滤波器中心频率的控制和显示。本文介绍了数字电位器的应用，控制显示部分的硬件及软件设计。

【关键词】数字电位器；I2C串行接口；滤波器

1.引言

为了获取轴承振动信号中某一指定频段中的信号成分，可通过选用中心频率可调的带通滤波器来实现，检测过程中经常需要改变中心频率。滤波器的中心频率与电路中的某个电阻值和电容值的乘积成反比，通常通过改变滤波器中心频率相对应的电阻值来改变中心频率。改变电阻值的方法有调节电位器或用多路开关选择阻值阻值的电阻来实现。但普通的电位器在调节过程中无法知道其准确的阻值；而多路开关虽然可以准确知道所选择的阻值，但受限于开关的触点数和电路板的尺寸，选择的电阻个数是有限的，也就是说中心频率的选择是有限的。而数字电位器却能够较好的解决这两个问题。首先，数字电位器在改变其阻值时可以确定其阻值。另外，数字电位器可改变的阻值数量根据型号的不同可以有256，512和1024档数值，从而可以选择到的中心频率的数量也相应增多，能够满足使用要求。

2.系统的总体设计

系统总体设计框图如图1所示。

数字电位器是状态滤波器的一部分，其阻值可由单片机通过键盘来调节。这样就可以通过键盘来调节其阻值，从而调整状态滤波器的中心频率f0，并且中心频率又可以通过显示器进行显示。

3.数字电位器的应用

数字电位器也称为数控电位器，是一种用数字信号控制其阻值改变的器件。数字电位器与机械电位器相比，具有可程控改变阻值，调节精度高，数据可读写，耐震动，噪声小，寿命长等优点，因而已在自动检测与控制，智能仪器仪表，消费电子产品等领域得到成功应用。

本文采用的数字电位器AD5254通过I2C总线与单片机连接。I2C总线采用两线制实现全双工同步数据传送，可以极方便的构成器件扩展系统，它由数据线SDA和时钟线SCL构成。I2C总线为同步传输总线，数据线上信号完全与时钟同步。数据传送采用主从方式，即主器件寻址从器件，启动总线，产生时钟，传送数据及结束数据的传送。

如图2所示，芯片AD5254与单片机相连，可以控制4个可调电阻。也就是说一片AD5254可以视为4个数字电位器，而其阻值可由程序控制分别调整。每个电位器都有三个引出端，分别是A，B和W。A和B分别是电位器的两个固定端，W是滑动端。W端与B端之间的阻值与AD5254内部的RADC寄存器中所写的一字节数字量相对应。由于一字节无符号数的取值为0-255，电位器被平均分成了255份，相当于255个电阻串联而成。所以W端与B端之间的阻值为RADC寄存器中的数量乘以一份阻值。

4.控制及显示部分硬件设计

4.1 键盘控制方案

键盘控制部分采用独立连接式非编码键盘，每个按键都是彼此独立的，分别可以实现阻值增大，减小，快进，快退，保存当前阻值等功能。数字电位器AD5254是255个档位，即255个等值电阻串联而成，通过程序控制可以选择256个档位的任意一档。那么阻值增大就是每按此键一次使阻值增大一档，反之就是阻值减小。快进键每按一次会使阻值增大16个档位。保存键的作用是保存当前数字电位器的阻值，也即保存了当前状态滤波器的中心频率f0，下次使用时重新上电后，数字电位器的阻值就是上次保存的阻值。

所以在调整好状态滤波器的中心频率f0后，按下保存键，下次使用时就不需要再重新调整了。增大阻值与减小阻值是通过对AD5254中RDAC寄存器中存放的数值加一或减一实现的。快进与快退的功能是对RDAC寄存器中存放的数值循环加一或减一实现的。而快进和快退的档数就是循环的次数。保存功能的实现是通过AD5254中的MMEM寄存器实现的。MMEM寄存器是非易失性存储器，它在重新上电后仍然保存掉电前存入的数据。把需要保存的数据存入MMEM寄存器，上电后再把此数据送入RDAC寄存器中即实现保存功能。

4.2 显示电路设计

显示部分采用LED数码显示管，用于显示滤波器当前的中心频率。如图3所示，LED与单片机的通讯是用两根线完成的，分别是时钟线C和数据线D。这是通过74LS164实现的。74LS164是8位移位寄存器，它的作用是串行出入并行输出。单片机把数据串行传送给74LS164，74LS164再把数据并行传送给LED显示。如图3所示。

5.软件设计

软件设计的目的在于实现按键按下后能够执行按键所对应的相应功能，即改变数字电位器的阻值或保存数据。而在改变阻值后LED数码管显示器能够显示此阻值所对应的状态滤波器的中心频率f0。程序的流程如图4所示。

6.总结

该文设计的可调状态滤波器由于采用了数字电位器调节其中心频率，从而使用单片机进行控制以及显示其中心频率成为可能。通过数字电位器便可以用数字信号来控制模拟信号，使其实现振动频率扫描和便利调节等功能。该状态滤波器具有通用性可作为智能仪器仪表的子模块使用。

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