基于MSP430和MAX262程控濾波器的設(shè)計(jì)

摘要：隨著手持設(shè)備的廣泛應(yīng)用，為了滿足系統(tǒng)設(shè)備的低功耗要求，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)MSP430、數(shù)字頻率源LTC6903、開關(guān)電容濾波芯片MAX 262的低功耗程控濾玻器。系統(tǒng)采用單片機(jī)控制數(shù)字頻率源芯片LTC6903提供步進(jìn)可調(diào)的時(shí)鐘信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器截止頻率的靈活調(diào)節(jié)和濾波類型的轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)有源濾波器器件參數(shù)設(shè)計(jì)困難，截止頻率等參數(shù)難以靈活控制和調(diào)節(jié)的問題。與傳統(tǒng)有源濾波器相比，可以完成低通、高通、帶通、陷波功能的轉(zhuǎn)換，濾波器Q值范圍0．5～8程控調(diào)節(jié)，截止頻率在100Hz～40 kHz之間100Hz步進(jìn)可調(diào)。此外，系統(tǒng)在3．3 V的供電條件以及單片機(jī)的ShutDown模式下，比一般的程控濾波器具有更低的功耗。
關(guān)鍵詞：可編程；開關(guān)電容濾波器；單片機(jī)；幅頻特性測(cè)試

    在電子系統(tǒng)中，濾波器是數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理等方面不可缺少的重要環(huán)節(jié)，如信號(hào)采集前的噪聲濾除，D／A轉(zhuǎn)換輸出的“階梯狀”濾波等等。一般的有源濾波器由運(yùn)算放大器、RC元件組成，但這種濾波器的截止頻率、Q值等參數(shù)都是固定不變的，在某些信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍較寬的場(chǎng)合就不適宜使用。因此，有必要采取多種截止頻率的濾波器，如程控濾波器，對(duì)動(dòng)態(tài)范圍較寬的信號(hào)進(jìn)行濾波。美國Maxim公司生產(chǎn)的可編程濾波器芯片MAX262可以通過編程進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、陷波等處理，且濾波的特性參數(shù)如中心頻率、品質(zhì)因素等，均可以通過程序設(shè)置。
    本文介紹以低功耗單片機(jī)MSP430F449為控制核心，通過凌特公司數(shù)字頻率源芯片LTC69034產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)精確控制MAX262，以及其與外圍電路構(gòu)成能實(shí)現(xiàn)多種功能的新穎濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)最大特點(diǎn)在于數(shù)字頻率源LTC6903與MAX262的結(jié)合使用，以及MSP430具有的低功耗功能，當(dāng)系統(tǒng)超過一定時(shí)間沒信號(hào)輸入時(shí)程序可以自動(dòng)關(guān)閉CPU進(jìn)入節(jié)能省電模式。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示，VCA810程控放大器作為信號(hào)輸入的前級(jí)放大，其增益由單片機(jī)控制D／A芯片TLV5616輸出電壓來調(diào)節(jié)，步進(jìn)精度可達(dá)1 dB，范圍在-40～40 dB。濾波模塊以可編程芯片MAX262作為核心，通過單片機(jī)MSP430和LTC69034程控時(shí)鐘信號(hào)芯片進(jìn)行截止頻率的低步進(jìn)調(diào)節(jié)以及品質(zhì)因素的智能控制。

    本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一在于MSP430具有低功耗性能，當(dāng)系統(tǒng)末級(jí)超過一定時(shí)間沒有檢測(cè)到信號(hào)輸入時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)關(guān)閉CPU并處于低功耗狀態(tài)，直到有信號(hào)輸入為止。這樣的設(shè)計(jì)能使系統(tǒng)更為節(jié)能，防止無用地消耗能源。此外，系統(tǒng)附加了幅頻特性測(cè)試模塊，掃頻信號(hào)由AD公司的AD9851來產(chǎn)生，頻率步進(jìn)精確到1 kHz。當(dāng)信號(hào)從被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出后通過AD637檢測(cè)到有效值，再采用MSP430F449內(nèi)部集成的A／D模塊進(jìn)行采樣處理，最后驅(qū)動(dòng)雙口D／A在液晶顯示幅頻特性曲線。
2 硬件電路
2．1 前級(jí)放大模塊
    系統(tǒng)前級(jí)采用VCA810程控放大芯片，該芯片具有-40～40 dB增益連續(xù)可調(diào)的放大功能，其增益可由單片機(jī)控制D／A芯片TLV5616輸出電壓Vc給VCA810的3號(hào)引腳來調(diào)節(jié)，具體增益與電壓的關(guān)系為：G(db)=-40·(Vc+1)dB。
    如圖2所示，信號(hào)輸入系統(tǒng)經(jīng)過同相放大后輸出給后級(jí)，由于VCA810具有較寬的增益調(diào)節(jié)，對(duì)輸入信號(hào)幅度要求較小，可以根據(jù)實(shí)際的信號(hào)大小來控制放大器的增益倍數(shù)，因此本系統(tǒng)可以用于小信號(hào)的濾波。此外，VCA810的帶寬為25 MHz，故輸入的信號(hào)可以達(dá)到較高的頻率，大致可實(shí)現(xiàn)寬帶的放大濾波功能。在調(diào)試過程中，由于VCA81 0控制引腳對(duì)噪聲要求較高，尤其3號(hào)GAIN引腳對(duì)電壓波動(dòng)范圍需要在mV級(jí)別以內(nèi)，因此必須在靠近VCA810的3號(hào)腳加上鉭電容10μF與0．1μF并聯(lián)進(jìn)行去耦，否則輸出的信號(hào)效果比較差。

2．2 濾波疊模塊
    MAX262具有A、B兩個(gè)二階開關(guān)電容有源濾波器，它由單片機(jī)精確控制濾波函數(shù)即可構(gòu)成低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，且有外圍電路少、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。MAX262可在程序控制下設(shè)置中心頻率fo，品質(zhì)因素Q以及濾波器的工作方式。截止頻率調(diào)節(jié)可有兩種方式，方案1是固定fCLK與fo的比率，改變fCLK來調(diào)節(jié)；方案2是外部電路采用固定晶振給CLK時(shí)鐘，改變fCLK與fo的比率關(guān)系來調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)低步進(jìn)調(diào)節(jié)，故采用前者方案。
    如圖3所示，為了得到穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)源，本設(shè)計(jì)采用凌特公司LTC69034產(chǎn)生可控的時(shí)鐘信號(hào)給MAX262的CLKA與CLKB引腳。其輸出時(shí)鐘頻率由以下公式?jīng)Q定；f=2oct·207 8／(2-DAC／1024)Hz。由于LTC69034輸出頻率步進(jìn)精度高，時(shí)鐘信號(hào)幅頻非常穩(wěn)定，在高頻段可達(dá)到10kHz的步進(jìn)。假設(shè)需要固定MAX262的fCLK與fo比率為100．53倍關(guān)系，故濾波器截止頻率可在100Hz～40kHz之間以100Hz為連續(xù)步進(jìn)調(diào)節(jié)。

    此外，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)若直接將MSP430控制信號(hào)與MAX262連接，會(huì)對(duì)濾波器輸出信號(hào)帶來較大的噪聲影響，因此在本設(shè)計(jì)中在MSP430與濾波器之間加上一級(jí)74HC573作為緩沖器，片選引腳OE由WR來控制，這樣濾波器輸出的信號(hào)效果得到了大大改善。

2. 3 幅頻特性測(cè)試模塊
    本系統(tǒng)附加了幅頻特性測(cè)試擴(kuò)展功能。如圖4所示為該模塊的原理框圖。當(dāng)選擇幅頻特性測(cè)試菜單后，MSP430驅(qū)動(dòng)DDS集成芯片AD9851產(chǎn)生正弦信號(hào)進(jìn)行掃頻，經(jīng)過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后再由有效值檢測(cè)電路進(jìn)行測(cè)量。由于二極管峰值檢波電路在低頻段無法測(cè)試，故本設(shè)計(jì)采用集成芯片AD637進(jìn)行有效值檢波，該芯片可在較低頻率段精確測(cè)量，最高頻率可達(dá)到8 MHz，完全滿足設(shè)計(jì)要求，檢波模塊輸出后經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部集成A／D模塊采樣后，再由MSP430驅(qū)動(dòng)雙口D／A芯片TLV5618輸出并在液晶顯示幅頻特性曲線。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程如圖5所示，上電后MSP430開始從系統(tǒng)末級(jí)通過AD采樣判斷是否有信號(hào)輸入。當(dāng)經(jīng)過一定時(shí)間仍沒有信號(hào)時(shí)，程序?qū)㈥P(guān)閉CPU，進(jìn)入低功耗模式；若測(cè)得有信號(hào)輸入則利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶顯示Mode功能菜單，等待輸入選擇濾波器類型、前級(jí)程控放大器增益倍數(shù)以及濾波器的Q值、截止頻率等各種參數(shù)，通過計(jì)算后對(duì)MAX262傳輸中心頻率與品質(zhì)因素?cái)?shù)據(jù)。若用戶開始菜單選擇幅頻特性測(cè)試儀，則由MSP430程序驅(qū)動(dòng)AD9851產(chǎn)生掃頻信號(hào)，經(jīng)過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后再由MSP430F449內(nèi)部集成A／D模塊采樣有效值A(chǔ)D637的輸出，通過計(jì)算并顯示采樣結(jié)果，得出幅頻特性曲線，并在液晶上顯示。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試
    1)幅頻特性測(cè)試模塊性能測(cè)試
     單片機(jī)控制9851產(chǎn)生掃頻信號(hào)，通過示波器觀察濾波器幅頻特性，將實(shí)測(cè)結(jié)果與幅頻特性測(cè)試模塊所得到的結(jié)果相比較，截止頻率在100 Hz～40 kHz之間幅頻特性測(cè)試誤差在1％以內(nèi)。
    2)Q值調(diào)節(jié)測(cè)試
    Q值可由編程數(shù)據(jù)Q0～Q7控制，每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的Q值，在100 Hz～40 kHz之間設(shè)置不同的截止頻率，改變編程數(shù)據(jù)Q0～Q7，然后通過幅頻特性測(cè)試算得Q值與理論值誤差在2％以內(nèi)。
    3)截至頻率控制性能測(cè)試
    通過改變MAX262的時(shí)鐘信號(hào)頻率fCLK和頻率控制字N來實(shí)現(xiàn)，設(shè)N為固定值，則截止頻率由時(shí)鐘頻率fCLK決定，fCLK由MSP430單片機(jī)控制數(shù)字頻率源LTC69034產(chǎn)生。經(jīng)試驗(yàn)證明，LTC69034輸出頻率步進(jìn)精度高，在高頻段也可以達(dá)到10 kHz的步進(jìn)，固定MAX262的fCLK與fo比率為100．53倍關(guān)系，測(cè)得濾波器的截止頻率可以在100 Hz～40 kHz之間以100 Hz為連續(xù)步進(jìn)調(diào)節(jié)，誤差小于1％。
    4)功耗測(cè)試
    在實(shí)際電路系統(tǒng)功耗測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)在工作狀態(tài)下功耗小于60 mW，低功耗模式下功耗小于10 mW，極大地降低了系統(tǒng)功耗。此款低功耗程控濾波器滿足手持式裝置的低功耗要求，因此在現(xiàn)實(shí)設(shè)備中具有較大的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)基于MSP430F449單片機(jī)完成對(duì)可編程濾波器MAX262的控制，能很好地實(shí)現(xiàn)各種有源濾波器的設(shè)計(jì)工作。這種程控濾波器使用靈活、工作穩(wěn)定、信號(hào)輸出效果好，使用者可根據(jù)實(shí)際需要自行設(shè)置濾波器的Q值、截止頻率、工作方式等。系統(tǒng)采用LTC69034可控時(shí)鐘芯片，讓濾波器的截止頻率可以100Hz低步進(jìn)調(diào)節(jié)，適用范圍更廣。前級(jí)程控放大器可達(dá)到40 dB的最大增益，故本設(shè)計(jì)可以輸入較小的信號(hào)，且最小增益步進(jìn)精度可為1 dB，可由使用者自定設(shè)置。系統(tǒng)還擴(kuò)展了幅頻特性測(cè)試模塊并在液晶顯示特性曲線。此外，MSP430具有低功耗特點(diǎn)，在系統(tǒng)超過一定時(shí)間不工作時(shí)可自行關(guān)閉CPU以節(jié)能省電，這也是本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)之一。