程控濾波器的設(shè)計(jì)

1 引言
    濾波器就是選頻電路，可允許一部分頻率的信號(hào)通過(guò)，而抑制另一部分頻率的信號(hào)，它在數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和通信系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要作用。這里提出一種基于開關(guān)電容有源濾波器的程控濾波器，可自由選擇低通、高通和帶通模式，也可步進(jìn)調(diào)節(jié)濾波器通帶截止頻率和放大器增益。該程控濾波器設(shè)計(jì)成本低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)由可控增益放大器、程控濾波器、橢圓濾波器和幅頻特性測(cè)試儀4部分組成。圖1為其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

    圖1中，可控增益放大器部分是以AD603作為核心器件，實(shí)現(xiàn)0～60 dB之間的增益調(diào)節(jié)。AD603為低噪聲精密可變?cè)鲆娣糯笃?，溫度穩(wěn)定性高，其內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯形網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量由加在增益控制接口的參考電壓決定；其增益與控制電壓呈線性關(guān)系，通過(guò)單片機(jī)控制，而由D／A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生精確的參考電壓來(lái)控制增益，從而實(shí)現(xiàn)較精確的數(shù)控，同時(shí)可降低干擾和噪聲。程控濾波器部分采用開關(guān)電容濾波器實(shí)現(xiàn)。開關(guān)電容濾波器是由MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運(yùn)算放大器構(gòu)成的集成濾波器，其開關(guān)電容組在時(shí)鐘頻率的驅(qū)動(dòng)下，可等效成1只與時(shí)鐘頻率有關(guān)的等效電阻R=1／2πCfc。其中C為開關(guān)電容組的電容,fc為濾波器時(shí)鐘頻率。
    當(dāng)用外部時(shí)鐘改變fc時(shí)，等效電阻R改變，從而可改變?yōu)V波器的時(shí)間常數(shù)，也改變?yōu)V波特性。
    開關(guān)電容濾波器可直接處理模擬信號(hào)，而不必像數(shù)字濾波器需要A／D、D／A轉(zhuǎn)換，這樣簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)采用集成的開關(guān)電容濾波器MAX297實(shí)現(xiàn)低通濾波，采用MAX263實(shí)現(xiàn)高通濾波。
    利用電感和電容可搭建各種類型的濾波器該系統(tǒng)利用無(wú)源LC濾波器技術(shù)，參照濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)相關(guān)參數(shù)，比較容易地實(shí)現(xiàn)較理想的四階橢圓低通濾波器，采用有源RC濾波器實(shí)現(xiàn)帶通濾波器。
    放大器輸出信號(hào)通過(guò)濾波器后加在1 kΩ的負(fù)載上，各濾波器的輸出切換由繼電器實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)以單片機(jī)和FPGA為控制核心，輔以DDS掃頻電路，經(jīng)有效值檢波電路，實(shí)現(xiàn)幅頻特性的測(cè)試與顯示。系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工作可靠，用戶界面友好。

3 理論分析與電路設(shè)計(jì)
3．1 放大器模塊
    可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603的控制電壓與增益呈線性關(guān)系，其增益為G(dB)=40×VG+G0。其中，VG為差分輸入電壓，VG范圍為-500～500 mV。G0是增益起點(diǎn)，接入不同反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)G0也不同。該系統(tǒng)采用AD603的通頻帶為30 MHz的典型接法，此時(shí)G0為20 dB，則增益為0～40 dB。AD603后由繼電器控制接入增益為20 dB的同相放大器，從而實(shí)現(xiàn)0～60 dB的增益范圍，電路如圖2所示。

    采用16位串口D／A轉(zhuǎn)換器MAX542輸出電壓控制AD603的增益，其增益步進(jìn)可達(dá)到0．1 dB，最終設(shè)定系統(tǒng)的增益步進(jìn)為10 dB。
3．2 濾波器模塊
3．2．1 低通濾波器
    系統(tǒng)采用開關(guān)電容濾波器MAX297實(shí)現(xiàn)低通濾波器。 MAX297是8階開關(guān)電容式低通橢圓濾波器，其滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過(guò)渡帶很窄。它由帶有求和與換算功能的開關(guān)電容積分器模擬梯形無(wú)源濾波器網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)成，其時(shí)鐘頻率與通頻帶之比為50:1，改變時(shí)鐘頻率，通頻帶在0．1 Hz～50 kHz范圍內(nèi)變化，增益在通頻帶內(nèi)存在的±0.1 dB的波動(dòng)。
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，尤其要注意MAX297的使用，當(dāng)信號(hào)頻率和采樣頻率同頻，且相位合適時(shí)，開關(guān)電容組在電容上依次采集幅度相同的信號(hào)為幅值信號(hào)，相當(dāng)于輸入直流信號(hào)。因此采樣電容產(chǎn)生直流信號(hào)，使得濾波器輸出也直流電平。同理，當(dāng)信號(hào)頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)相同現(xiàn)象。要除去這種現(xiàn)象，須限制輸入信號(hào)范圍，使之小于開關(guān)電容濾波器的采樣頻率，即時(shí)鐘頻率。因此在使用MAX297時(shí)．應(yīng)在其前面增加模擬低通濾波器，有效濾除采樣頻率及其以上的高頻信號(hào)。而在其后面也應(yīng)增加低通濾波器，濾除信號(hào)的高頻分量，使波形更加平滑。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

3．2．2 高通濾波器
    系統(tǒng)采用開關(guān)電容濾波器MAX263實(shí)現(xiàn)高通濾波器。該器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)與MAX297相似，但其中心頻率f0與Q值由外置引腳編程設(shè)置。將MAX263的Q值設(shè)置為0．790,fclk/f0設(shè)置為185．35。通過(guò)改變外部時(shí)鐘fclk控制高通濾波器的3 dB截止頻率f0。
3．2．3 橢圓低通濾波器
    采用無(wú)源LC橢圓低通濾波器實(shí)現(xiàn)，從濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)上查表得四階橢圓無(wú)源濾波器在θ=19°，Ωs=3.311時(shí)，相應(yīng)歸一化參數(shù)：C1=1．210 F，C2=0．062 42 F，L2=1．220 H，C3=1．891 F，L4=0．846 9 H。取無(wú)源濾波器的端間匹配阻抗為R=510 Ω，截止頻率fp=50 kHz代入公式：

  
式中，Cn，Ln表示歸一化的電容值，電感值；C'n，L'n表示以fp為通帶3 dB衰減的低通濾波電路中所對(duì)應(yīng)的電容值、電感值。計(jì)算結(jié)果為：C1=7．56μF，C2=390 pF，L2=1．98 mH，C3=11．81μF，L4=1.38 mH。將上述值轉(zhuǎn)換為標(biāo)稱值后，得到圖4所示的電路原理圖和仿真波形。

3．3 幅頻特性測(cè)試模塊
    FPGA由DDS產(chǎn)生0～200 kHz范圍內(nèi)的掃頻信號(hào)，DDS產(chǎn)生信號(hào)的頻率穩(wěn)定度較高，而且信號(hào)的頻率步進(jìn)和信號(hào)幅值控制方便。DDS以Nyquist時(shí)域采樣定理為基礎(chǔ)，在時(shí)域中進(jìn)行頻率合成。DDS的基本工作原理：每個(gè)參考頻率fs上升沿到來(lái)時(shí)，N位的相位累加器值便按照頻率控制字K的長(zhǎng)度增加一次，輸出所得相位值，正弦查找表將相位信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的正弦幅度值。在fs和N一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字K決定。以一定步進(jìn)循環(huán)增加頻率控制字K，輸出頻率變化的掃頻信號(hào)。
    掃頻信號(hào)通過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后，由AD637檢測(cè)有效值，即利用各個(gè)頻點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)后的有效值在示波器上顯示其幅頻特性圖。AD637的外圍電路簡(jiǎn)單，而且當(dāng)輸入峰峰值大于2 V時(shí)，其測(cè)量誤差在100 Hz～1 MHz的范圍內(nèi)可忽略。圖5為幅頻特性測(cè)試模塊原理框圖。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有3部分：(1)設(shè)置放大器的增益，控制高低通等濾波器的切換并設(shè)定其截止頻率；(2)幅頻特性測(cè)試．產(chǎn)生DDS信號(hào)的頻率控制字，控制頻率步進(jìn)，測(cè)量并顯示信號(hào)通過(guò)濾波器后的幅值信息；(3)人機(jī)交互功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，模塊內(nèi)部采用層次化設(shè)計(jì)，將硬件接口處理及初始化部分作為底層的子程序，控制硬件接口的中斷并向上層提供接口讀取數(shù)據(jù)；中間層程序完成底層數(shù)據(jù)的收集和處理，將其結(jié)果上傳至最終的上層功能控制程序；最后主程序通過(guò)調(diào)用相關(guān)的功能控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)軟件總體流程如圖6所示。

5 測(cè)試結(jié)果
    (1)用信號(hào)源在放大器輸入端輸入峰值為10 mV的正弦信號(hào)，在100 Hz～40 kHz范圍內(nèi)，用雙蹤示波器檢測(cè)放大器的通頻帶。預(yù)置放大器增益，用低頻毫伏表測(cè)試輸出信號(hào)的有效值并檢測(cè)其實(shí)際增益，計(jì)算增益誤差，檢驗(yàn)增益步進(jìn)。測(cè)試結(jié)果表明放大器的增益范圍為0～60 dB，步進(jìn)為10 dB，增益誤差小于0．5％。
    (2)將放大器增益設(shè)置為40 dB，輸入信號(hào)為10 mV，選擇高通或低通濾波器模塊，預(yù)置濾波器截止頻率，用低頻毫伏表和雙蹤示波器測(cè)試其實(shí)際截止頻率，計(jì)算相對(duì)誤差，并檢測(cè)截止頻率步進(jìn)和(低通)或(高通)處的電壓總增益，檢測(cè)到該處電壓總增益不超過(guò)20 dB。測(cè)試結(jié)果表明高通和低通濾波器的截止頻率在1～30 kHz內(nèi)可調(diào)，頻率步進(jìn)為1 kHz，且截止頻率誤差小于2％。
    (3)橢圓濾波器的測(cè)試，將放大器的增益設(shè)置為40 dB，用低頻毫伏表和示波器測(cè)量其通帶波動(dòng)、-3 dB截止頻率和200 kHz的總電壓增益。測(cè)試結(jié)果表明該橢圓濾波器的帶內(nèi)波動(dòng)小于0．2 dB。截止頻率為50．15 kHz，在200 kHz處衰減58．35 dB。
    (4)幅頻特性測(cè)試儀的測(cè)試，選擇各濾波器為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定測(cè)試信號(hào)掃頻帶寬和步進(jìn)開始掃頻，觀察液晶顯示屏上的幅頻測(cè)試圖，結(jié)果表明幅頻特性曲線與被測(cè)網(wǎng)絡(luò)理論計(jì)算結(jié)果比較相符。

6 結(jié)論
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，前級(jí)放大器采用可控增益放大器實(shí)現(xiàn)0～60 dB的增益變化范圍，開關(guān)電容濾波器實(shí)現(xiàn)截止頻率在1～30 kHz范圍內(nèi)數(shù)字可調(diào)，采用無(wú)源LC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)四階橢圓低通濾波器，利用高速D／A轉(zhuǎn)換器和有效值檢波電路實(shí)現(xiàn)幅頻特性測(cè)試儀，系統(tǒng)性能良好。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可較好地實(shí)現(xiàn)濾波器的程控，使用方便，具有較高的性價(jià)比、實(shí)用性和使用價(jià)值。