一種新型程控濾波器的設(shè)計(jì)
1 引言
在許多工程應(yīng)用領(lǐng)域中信號(hào)頻率的動(dòng)態(tài)范圍很寬。某些微機(jī)自動(dòng)測(cè)試中頻率在0．1~1 000 Hz之間變化；在旋轉(zhuǎn)機(jī)械大型水輪機(jī)組的機(jī)械故障診斷和炮口沖擊波壓力場(chǎng)測(cè)試以及其他信號(hào)采集測(cè)量場(chǎng)合其信號(hào)頻率在幾赫茲到幾千赫茲之間。因此有必要采用截止頻率可以程控的濾波器|0">濾波器對(duì)頻率動(dòng)態(tài)范圍較寬的信號(hào)進(jìn)行濾波。
MAX263是CMOS雙二階通用開關(guān)電容|0">電容有源濾波器，由微處理器精確控制濾波函數(shù)構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波和全通配置，且無需外部元件。MAX262含有2個(gè)二階濾波器，在程序控制下可設(shè)置中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和濾波器的工作方式。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括數(shù)字和模擬兩大部分。其中，數(shù)字部分包括單片機(jī)及FPGA中的放大器|0">放大器增益控制、時(shí)鐘頻率生成以及頻率特性測(cè)量與顯示3個(gè)模塊；而模擬部分包括放大器、濾波器和幅頻特性測(cè)試儀3個(gè)模塊。其中放大器模塊通過三級(jí)放大實(shí)現(xiàn)0～60 dB的增益調(diào)節(jié)，濾波器模塊包括由集成濾波器MAX263構(gòu)成的低通和高通濾波器以及自行設(shè)計(jì)的橢圓濾波器，而幅頻特性測(cè)試儀模塊則由DDS掃頻信號(hào)源、有效值檢波及A／D轉(zhuǎn)換電路|0">電路構(gòu)成。詳細(xì)的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
3．1 可變?cè)鲆娣糯笃骺刂菩盘?hào)
選用ADI公司的AD603作為可變?cè)鲆娣糯笃鳎撈骷脑鲆媾c控制電壓的關(guān)系：GAIN(dB)=40Vg+10，Vg為控制電壓，改變范圍為1 V。選用16位D／A轉(zhuǎn)換器MAX542，用于給出雙極性的控制電壓，基準(zhǔn)源取2．5 V，理論上增益步進(jìn)的最小值為0．003 dB。
3．2 開關(guān)電容濾波器
3．2．1 確定濾波器Q值
采用MAXIM公司的集成開關(guān)電容濾波器MAX263，它可以通過外接引腳編程設(shè)置濾波器的Q值。Q值與帶內(nèi)最大增益G(V/V)之間的關(guān)系為C=Q／[1一(1／4Q2)]1/2，為使帶內(nèi)盡量平坦，則使G=1，代入公式可得p=0．707，故可將濾波器的Q值設(shè)置在O．707左右。
3．2．2 頻譜混疊現(xiàn)象
由于時(shí)鐘信號(hào)的存在，開關(guān)電容濾波器相當(dāng)于一個(gè)采樣系統(tǒng)，滿足奈奎斯特采樣定理。由于MAX263內(nèi)部對(duì)時(shí)鐘信號(hào)elk二分頻，故clk/4附近及以上的信號(hào)都存在頻譜混疊現(xiàn)象，從而使輸出波形產(chǎn)生失真。為了解決這個(gè)問題，需要加大clk與截止頻率的比值，使輸入信號(hào)的頻段遠(yuǎn)離時(shí)鐘信號(hào)所在頻段。
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4．1 放大器電路
放大器電路分為三級(jí)。第一級(jí)采用低噪聲運(yùn)放進(jìn)行固定增益放大，以提高輸入信號(hào)的信噪比；中間級(jí)采用可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603，動(dòng)態(tài)增益范圍為30 dB；后級(jí)為兩檔程控放大，增益之差為30 dB，實(shí)現(xiàn)0~60 dB的增益范圍。其電路如圖2所示。
4．2 四階橢圓低通濾波電路
該電路為L(zhǎng)C無源電路，如圖3所示。根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)中的歸一化設(shè)計(jì)表格，查表得到所需要的電容電感值。實(shí)際測(cè)試結(jié)果為：帶內(nèi)擺幅小于0．5 dB，截止頻率50 kHz左右。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分遵循結(jié)構(gòu)化和層次化的設(shè)計(jì)原則，由主程序及若干子程序構(gòu)成。子程序主要完成放大器增益設(shè)置、濾波器參數(shù)設(shè)置、幅頻特性測(cè)試及人機(jī)交互等功能，主程序則通過調(diào)用子程序控制時(shí)序。該程序以按鍵中斷為主線，以各項(xiàng)功能作為分支，程序流程圖如圖4所示。
6 測(cè)試結(jié)果
本系統(tǒng)需要測(cè)試的數(shù)據(jù)主要是放大器的電壓增益和濾波器一3 dB的截止頻率。測(cè)試放大器增益時(shí)，利用毫伏表測(cè)出放大器輸入及輸出信號(hào)的有效值，將算出的增益與程序預(yù)置值相比較；測(cè)試濾波器截止頻率時(shí)，改變輸入信號(hào)的頻率，同時(shí)利用毫伏表測(cè)出濾波器輸出及輸入信號(hào)的有效值，直到兩者之比為一3 dB時(shí)記錄頻率值，然后再與預(yù)置值相比較。對(duì)放大器增益的測(cè)試。取選100 Hz，1 kHz，40 kHz 3個(gè)頻率點(diǎn)來測(cè)試放大器增益，將預(yù)置增益和實(shí)際增益相比較。其中100Hz和1 kHz處的增益誤差小于l％，40 kHz處的增益誤差小于2％。
對(duì)截止頻率的測(cè)試。在給出的10組預(yù)置值中，將實(shí)測(cè)值與預(yù)置值進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果表明，低通模式下截止頻率的誤差小于2．2％，高通模式下截止頻率的誤差小于2．5％。
7 結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的基本功能和指標(biāo)，并且擴(kuò)展了在示波器上顯示幅頻特性曲線的功能，同時(shí)擴(kuò)大了截止頻率調(diào)節(jié)范圍，縮小了步進(jìn)量。當(dāng)然，本系統(tǒng)還存在某些不足，其中，高通濾波器輸出波形在某些頻率點(diǎn)有較明顯失真；放大器輸出波形在幅值較小時(shí)信噪比較低。
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