基于MAX262的程控濾波器設(shè)計(jì)

1 引言
    MAX262為雙二階開關(guān)電容有源濾波器，可通過單片機(jī)SPI總線精確控制濾波器的傳遞函數(shù)。獨(dú)立編程設(shè)置其中心頻率和品質(zhì)因數(shù)來實(shí)現(xiàn)智能控制,并且可通過附帶的濾波器設(shè)計(jì)軟件任意改善濾波特性。
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由放大器、濾波器、幅頻特性測(cè)試模塊、橢圓濾波器和控制模塊等部分構(gòu)成，采用AD603與MAX262相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)任意增益設(shè)置以及滿足高、低、帶通濾波參數(shù)的要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    該系統(tǒng)方案如圖1所示，以低噪聲、精密控制的可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603為核心設(shè)計(jì)程控增益放大器。其最大增益誤差為0．5 dB,滿足高精度要求，其增益(dB)與控制電壓(V)成線性關(guān)系，因此可使用單片機(jī)控制D／A輸出電壓改變放大器增益,同時(shí)減少噪聲和干擾。以MAX262為核心的程控濾波器通過單片機(jī)SPI總線精確控制濾波器的傳遞函數(shù)，對(duì)中心頻率和品質(zhì)因數(shù)獨(dú)立編程設(shè)置,實(shí)現(xiàn)64級(jí)中心頻率、128級(jí)品質(zhì)因數(shù)的智能控制。點(diǎn)陣式LCD構(gòu)建友好的菜單界面并顯示自定義提示和復(fù)雜的圖形數(shù)據(jù).

    實(shí)驗(yàn)增加了幅頻特性測(cè)試儀，其信號(hào)發(fā)生部分采用Altera公司的FPGA EP1C6T144C8,利用DDFS技術(shù)產(chǎn)生頻率范圍為100 Hz～200 kHz的掃頻信號(hào)，頻率步進(jìn)可精確到1 kHz內(nèi)。信號(hào)送入被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，輸出通過AD637得到信號(hào)的真有效值，采用A／D進(jìn)行采集并發(fā)送回單片機(jī)進(jìn)行處理,在液晶顯示屏上可畫出系統(tǒng)的幅頻特性圖。

3 理論分析與計(jì)算
3．1 程控放大模塊
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩片AD603順序連接,兩極間以電容耦合。由于一片AD603在已定制的模式下增益為-lO dB～30 dB。帶寬為90 MHz，故級(jí)聯(lián)方式可使增益達(dá)到-20 dB～60 dB，控制電壓為0 V～2 V。該控制電壓由單片機(jī)控制8位A／D轉(zhuǎn)換器ADC0832產(chǎn)生，其精度可達(dá)2 V／256=0．007 812 5 V，增益精度可達(dá)0．312 5 dB。因此，完全可滿足系統(tǒng)發(fā)揮部分中增益60 dB，步進(jìn)10 dB的要求。
3．2 MAX262模塊
    采用MAX262雙濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成四階程控濾波器，輸入脈沖是由單片機(jī)的ALE通過十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行十六分頻所提供的。MAX262的低通濾波傳遞函數(shù)為：

   

    式中,fCLK為輸入脈沖頻率,fo為中心頻率，N1為F0～F5對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。

   
    式中：Q為品質(zhì)因數(shù)，N2為Q0～Q6對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。
3．3 幅頻特性測(cè)試模塊
    FPGA由DDS原理產(chǎn)生掃頻信號(hào)，其內(nèi)置雙口RAM頻率字位寬32 bit系統(tǒng)時(shí)鐘fCLK為166 MHz，因此，頻率分辨率f=fCLK/232=0．038 64．Hz，其帶寬為166 MHz。真有效值轉(zhuǎn)換器AD637的轉(zhuǎn)換公式為Vrms=Avg[VIN／Vrms]，讀取輸出信號(hào)的有效值。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4．1 硬件設(shè)計(jì)
4．1．1 增益控制
    增益控制的核心電路由可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器AD603和精密運(yùn)算放大器ADOP37組成。其中以AD603為核心，輔以外圍電路實(shí)現(xiàn)程控放大器，其增益與控制電壓成線性．單片機(jī)控制D／A輸出控制放大增益。其電路原理圖如圖2所示。

4．1．2 程控濾波
    程控濾波主要是由MAX262通過程控實(shí)現(xiàn)。MAX262通過單片機(jī)SPI總線對(duì)濾波器參數(shù)編程實(shí)現(xiàn)程控濾波器，其中心頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為64級(jí)、128級(jí)編程可調(diào)，其電路原理如圖3所示。

4．2 軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示，在選擇濾波器種類后等待輸入放大增益參數(shù)，計(jì)算參數(shù)對(duì)應(yīng)的D／A輸出數(shù)值，向D／A發(fā)送數(shù)據(jù)，并鎖存。等待接收濾波器的參數(shù)，通過計(jì)算,對(duì)MAX262編程，并控制數(shù)據(jù)選擇器選擇輸出MAX262的低高通引腳信號(hào)。等待接收鍵盤信息，如果是左右方向鍵，則改變?yōu)V波器截止頻率：如果是上下方向鍵，則改變放大增益。當(dāng)選擇幅頻特性測(cè)試儀時(shí)，通過ADC采樣真有效值轉(zhuǎn)換器AD637的輸出，通過計(jì)算采樣結(jié)果，得出幅頻特性，并在液晶上顯示。

5 測(cè)試結(jié)果
5．1 功能測(cè)試
    將輸入信號(hào)和放大器輸出信號(hào)分別接入雙蹤示波器，調(diào)整合適的電壓幅度，觀察兩波形區(qū)別。放大器輸出電壓在1 dB～10 dB范圍內(nèi)無(wú)明顯失真。
    使用EDA系統(tǒng)板的FPGA和DAC產(chǎn)生掃頻正弦波頻率范同50 Hz～220 kHz，步進(jìn)10 kHz，輸出端分別接到數(shù)字示波器和幅頻特性測(cè)試儀的輸入端。將數(shù)字示波器的FFT功能與幅頻特性測(cè)試儀得到的幅頻特性結(jié)果相比較，測(cè)試的幅頻特性測(cè)試儀精確性較高。
5．2 參數(shù)測(cè)試
    波形發(fā)生器產(chǎn)生10 mV的正弦波，同時(shí)接入雙蹤示波器的CH1蹤和放大器輸入端，將放大器輸出端接入示波器的CH2蹤。通過測(cè)試數(shù)據(jù)可知增益誤差<5％。而低通濾波器-3 dB截止頻率與理論值的誤差<4．8％。對(duì)于高通濾波器而言，使用數(shù)字示波器測(cè)量的輸出端峰峰值是輸入端的0．707倍，其發(fā)生器的頻率為51．31 kHz。

6 結(jié)束語(yǔ)
    基于MAX262的程控濾波器完全達(dá)到電壓增益10 dB步進(jìn)可控，最大增益40 dB；濾波器模式可選，截止頻率1 kHz可調(diào)，設(shè)置顯示參數(shù)功能等要求．其最大增益可達(dá)60 dB，擴(kuò)展了簡(jiǎn)易幅頻特性測(cè)試儀。