程控濾波器的設計

1 引言
    濾波器就是選頻電路，可允許一部分頻率的信號通過，而抑制另一部分頻率的信號，它在數據采集、信號處理和通信系統(tǒng)等領域具有重要作用。這里提出一種基于開關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，也可步進調節(jié)濾波器通帶截止頻率和放大器增益。該程控濾波器設計成本低、實現簡單，可廣泛應用于數字信號處理、通信、自動控制等領域。

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

    圖1中，可控增益放大器部分是以AD603作為核心器件，實現0～60 dB之間的增益調節(jié)。AD603為低噪聲精密可變增益放大器，溫度穩(wěn)定性高，其內部由R-2R梯形電阻網絡和固定增益放大器構成，加在其梯形網絡輸入端的信號經衰減后，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系，通過單片機控制，而由D／A轉換器產生精確的參考電壓來控制增益，從而實現較精確的數控，同時可降低干擾和噪聲。程控濾波器部分采用開關電容濾波器實現。開關電容濾波器是由MOS開關、MOS電容和MOS運算放大器構成的集成濾波器，其開關電容組在時鐘頻率的驅動下，可等效成1只與時鐘頻率有關的等效電阻R=1／2πCfc。其中C為開關電容組的電容,fc為濾波器時鐘頻率。
    當用外部時鐘改變fc時，等效電阻R改變，從而可改變?yōu)V波器的時間常數，也改變?yōu)V波特性。
    開關電容濾波器可直接處理模擬信號，而不必像數字濾波器需要A／D、D／A轉換，這樣簡化電路設計，提高系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)采用集成的開關電容濾波器MAX297實現低通濾波，采用MAX263實現高通濾波。
    利用電感和電容可搭建各種類型的濾波器該系統(tǒng)利用無源LC濾波器技術，參照濾波器設計手冊相關參數，比較容易地實現較理想的四階橢圓低通濾波器，采用有源RC濾波器實現帶通濾波器。
    放大器輸出信號通過濾波器后加在1 kΩ的負載上，各濾波器的輸出切換由繼電器實現。該系統(tǒng)以單片機和FPGA為控制核心，輔以DDS掃頻電路，經有效值檢波電路，實現幅頻特性的測試與顯示。系統(tǒng)性能指標達到設計要求，工作可靠，用戶界面友好。

3 理論分析與電路設計
3．1 放大器模塊
    可變增益放大器AD603的控制電壓與增益呈線性關系，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，接入不同反饋網絡時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，從而實現0～60 dB的增益范圍，電路如圖2所示。

    采用16位串口D／A轉換器MAX542輸出電壓控制AD603的增益，其增益步進可達到0．1 dB，最終設定系統(tǒng)的增益步進為10 dB。
3．2 濾波器模塊
3．2．1 低通濾波器
    系統(tǒng)采用開關電容濾波器MAX297實現低通濾波器。 MAX297是8階開關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渡帶很窄。它由帶有求和與換算功能的開關電容積分器模擬梯形無源濾波器網絡而構成，其時鐘頻率與通頻帶之比為50:1，改變時鐘頻率，通頻帶在0．1 Hz～50 kHz范圍內變化，增益在通頻帶內存在的±0.1 dB的波動。
    系統(tǒng)設計時，尤其要注意MAX297的使用，當信號頻率和采樣頻率同頻，且相位合適時，開關電容組在電容上依次采集幅度相同的信號為幅值信號，相當于輸入直流信號。因此采樣電容產生直流信號，使得濾波器輸出也直流電平。同理，當信號頻率為采樣頻率的整數倍時，也會出現相同現象。要除去這種現象，須限制輸入信號范圍，使之小于開關電容濾波器的采樣頻率，即時鐘頻率。因此在使用MAX297時．應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。而在其后面也應增加低通濾波器，濾除信號的高頻分量，使波形更加平滑。具體實現電路如圖3所示。

3．2．2 高通濾波器
    系統(tǒng)采用開關電容濾波器MAX263實現高通濾波器。該器件內部結構與MAX297相似，但其中心頻率f0與Q值由外置引腳編程設置。將MAX263的Q值設置為0．790,fclk/f0設置為185．35。通過改變外部時鐘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
    采用無源LC橢圓低通濾波器實現，從濾波器設計手冊上查表得四階橢圓無源濾波器在θ=19°，Ωs=3.311時，相應歸一化參數：C1=1．210 F，C2=0．062 42 F，L2=1．220 H，C3=1．891 F，L4=0．846 9 H。取無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應的電容值、電感值。計算結果為：C1=7．56μF，C2=390 pF，L2=1．98 mH，C3=11．81μF，L4=1.38 mH。將上述值轉換為標稱值后，得到圖4所示的電路原理圖和仿真波形。

3．3 幅頻特性測試模塊
    FPGA由DDS產生0～200 kHz范圍內的掃頻信號，DDS產生信號的頻率穩(wěn)定度較高，而且信號的頻率步進和信號幅值控制方便。DDS以Nyquist時域采樣定理為基礎，在時域中進行頻率合成。DDS的基本工作原理：每個參考頻率fs上升沿到來時，N位的相位累加器值便按照頻率控制字K的長度增加一次，輸出所得相位值，正弦查找表將相位信息轉化為相應的正弦幅度值。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。以一定步進循環(huán)增加頻率控制字K，輸出頻率變化的掃頻信號。
    掃頻信號通過被測網絡后，由AD637檢測有效值，即利用各個頻點通過網絡后的有效值在示波器上顯示其幅頻特性圖。AD637的外圍電路簡單，而且當輸入峰峰值大于2 V時，其測量誤差在100 Hz～1 MHz的范圍內可忽略。圖5為幅頻特性測試模塊原理框圖。

4 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件設計主要有3部分：(1)設置放大器的增益，控制高低通等濾波器的切換并設定其截止頻率；(2)幅頻特性測試．產生DDS信號的頻率控制字，控制頻率步進，測量并顯示信號通過濾波器后的幅值信息；(3)人機交互功能。系統(tǒng)軟件設計采用模塊化思想，模塊內部采用層次化設計，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據；中間層程序完成底層數據的收集和處理，將其結果上傳至最終的上層功能控制程序；最后主程序通過調用相關的功能控制模塊實現對整個系統(tǒng)的構建。系統(tǒng)軟件總體流程如圖6所示。

5 測試結果
    (1)用信號源在放大器輸入端輸入峰值為10 mV的正弦信號，在100 Hz～40 kHz范圍內，用雙蹤示波器檢測放大器的通頻帶。預置放大器增益，用低頻毫伏表測試輸出信號的有效值并檢測其實際增益，計算增益誤差，檢驗增益步進。測試結果表明放大器的增益范圍為0～60 dB，步進為10 dB，增益誤差小于0．5％。
    (2)將放大器增益設置為40 dB，輸入信號為10 mV，選擇高通或低通濾波器模塊，預置濾波器截止頻率，用低頻毫伏表和雙蹤示波器測試其實際截止頻率，計算相對誤差，并檢測截止頻率步進和(低通)或(高通)處的電壓總增益，檢測到該處電壓總增益不超過20 dB。測試結果表明高通和低通濾波器的截止頻率在1～30 kHz內可調，頻率步進為1 kHz，且截止頻率誤差小于2％。
    (3)橢圓濾波器的測試，將放大器的增益設置為40 dB，用低頻毫伏表和示波器測量其通帶波動、-3 dB截止頻率和200 kHz的總電壓增益。測試結果表明該橢圓濾波器的帶內波動小于0．2 dB。截止頻率為50．15 kHz，在200 kHz處衰減58．35 dB。
    (4)幅頻特性測試儀的測試，選擇各濾波器為被測網絡，設定測試信號掃頻帶寬和步進開始掃頻，觀察液晶顯示屏上的幅頻測試圖，結果表明幅頻特性曲線與被測網絡理論計算結果比較相符。

6 結論
    該系統(tǒng)設計實現各項設計指標，前級放大器采用可控增益放大器實現0～60 dB的增益變化范圍，開關電容濾波器實現截止頻率在1～30 kHz范圍內數字可調，采用無源LC網絡實現四階橢圓低通濾波器，利用高速D／A轉換器和有效值檢波電路實現幅頻特性測試儀，系統(tǒng)性能良好。系統(tǒng)設計簡單，可較好地實現濾波器的程控，使用方便，具有較高的性價比、實用性和使用價值。