基于FPGA的程控濾波器的設(shè)計

摘要：以單片機(jī)和可編程邏輯器件(FPGA)為控制核心，設(shè)計了一個程控濾波器，實現(xiàn)了小信號程控放大、程控調(diào)整濾波器截止頻率和幅頻特性測試的功能。其中放大模塊由可變增益放大器AD603實現(xiàn)，最大增益60dB，10dB步進(jìn)可調(diào)，增益誤差小于1％。程控濾波模塊由MAX297低通濾波、TLC1068高通濾波及橢圓低通濾波器構(gòu)成，濾波模式用模擬開關(guān)選擇。本系統(tǒng)程控調(diào)整有源濾波的-3 dB截止頻率，使其在1～30 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，誤差小于1．5％。此外，采用有效值采樣芯片AD637及12位并行A／D轉(zhuǎn)換器MAX120實現(xiàn)了對掃頻信號幅度的測量。
關(guān)鍵詞：程控濾波器；可變增益放大；截止頻率可調(diào)；幅度測量

    濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，可用于對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進(jìn)行有效濾除。它在電子領(lǐng)域中占有很重要的地位，在信號處理、抗干擾處理、電力系統(tǒng)、抗混疊處理中都得到了廣泛的應(yīng)用。而對于程控濾波器，該系統(tǒng)的最大特點在于其濾波模式可以程控選擇，且-3 dB截止頻率程控可調(diào)，相當(dāng)于一個集多功能于一體的濾波器，將有更好的應(yīng)用前景。此外，系統(tǒng)具有幅頻特性測試的功能，并通過示波器顯示頻譜特性，可直觀地反應(yīng)濾波效果。

1 方案論證與選擇
1．1 可變增益放大模塊的設(shè)計與論證
    方案1：數(shù)字電位器控制兩級INA129級聯(lián)。用FPGA控制數(shù)字電位器DS1267使其輸出不同的阻值，作為高精度儀表放大器INA129的反饋電阻。通過控制數(shù)字電位器來改變INA129的放大倍數(shù)，從而實現(xiàn)放大器的增益可調(diào)。
    方案2：采用可變增益放大器AD603實現(xiàn)?？勺冊鲆娣糯笃鲀?nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定；可通過單片機(jī)控制，由DAC產(chǎn)生精確的參考電壓控制增益，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。
    由于輸入的正弦小信號振幅10 mV，電壓增益60 dB，10 dB步進(jìn)程控可調(diào)，且電壓增益誤差不能大于5％。對精度而言兩個方案都可實現(xiàn)，在AD603后再加一級放大也可實現(xiàn)60 dB的放大倍數(shù)。但數(shù)字電位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有電容影響，后級接運放后會帶來意想不到的后果，因此采用方案2。
1．2 濾波器模塊的設(shè)計與論證
    方案1：采用數(shù)字濾波器。利用MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計FIR或者IIR濾波器。數(shù)字濾波器具有精度高，截止特性好等優(yōu)點。但是FIR濾波器會占用太多FPGA資源，IIR濾波器設(shè)計時工作量大且穩(wěn)定性不高，且要使截止頻率可調(diào)，必須使用不同的參數(shù)，設(shè)計起來軟件量比較大。
    方案2；采用無源LC濾波器。利用電感和電容可以搭建各種類型的濾波器。參照濾波器設(shè)計手冊上的相關(guān)參數(shù)，可以比較容易地設(shè)計出理想的濾波器。但是如果要截止頻率可調(diào)，只有改變電感電容參數(shù)，硬件會非常復(fù)雜。
    方案3：采用集成的開關(guān)電容濾波器芯片。開關(guān)電容濾波器是由MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運算放大器構(gòu)成的一種大規(guī)模集成電路濾波器。其開關(guān)電容組在時鐘頻率的驅(qū)動下，可以等效成一個和時鐘頻率有關(guān)的等效電阻。當(dāng)用外部時鐘改變時，等效電阻改變，從而改變了濾波器的時間常敦，也就改變了濾波特性。開關(guān)電容濾波器可以直接處理模擬信號，而不必像數(shù)字濾波器那樣需要A／D、D／A變換，簡化了電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性。
    綜上所述，本系統(tǒng)采用方案3，利用集成芯片MAX297實現(xiàn)低通濾波器，利用LTC1068實現(xiàn)高通濾波器；采用方案2，利用無源LC濾波器技術(shù)來實現(xiàn)四階橢圓低通濾波器。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案及實現(xiàn)方框圖
    本系統(tǒng)以單片機(jī)及FPGA為控制核心，由可控增益放大模塊、程控濾波模塊和幅頻特性測試模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。輸入振幅為1 V的信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)衰減后變成振幅10 mV的小信號，經(jīng)OPA690前級放大2倍，同時起到阻抗變換和隔離的作用。與此同時由AD9851產(chǎn)生一設(shè)定頻率的正弦信號，通過模擬開關(guān)選擇一道送到后級。信號由程序控制AD603進(jìn)行0～60dB的可調(diào)增益放大后，送入濾波模塊。濾波模塊包括低通、高通、橢圓濾波器，其中低通、高通由程序控制-3 dB截止頻率在1～30 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，步進(jìn)1kHz。橢圓濾波器截止頻率50 kHz。再通過模擬開關(guān)選擇某一特定濾波信號輸出，經(jīng)有效值檢波和A／D轉(zhuǎn)換后送入FPGA進(jìn)行幅頻特性的測試，再用兩塊DAC0800實現(xiàn)幅頻特性曲線的顯示。

3 主要功能電路設(shè)計
3．1 放大模塊
    放大模塊的具體電路如圖2所示。第一部分是一個分壓網(wǎng)絡(luò)，其中前4個電阻將輸入信號衰減100倍，并與信號源內(nèi)阻共同構(gòu)成51Ω阻抗，后面的51Ω為匹配電阻。第二部分采用OPA690將小信號放大2倍，同時起到阻抗變換和隔離的作用。由于AD603輸入阻抗為100Ω，所以在后面串接一個100 Ω的電阻進(jìn)行匹配。第三部分即為AD603可變增益放大，它的增益隨著控制電壓的增大以dB為單位線性增長。1腳的參考電壓通過單片機(jī)進(jìn)行運算并控制DAC芯片輸出電壓來得到，從而實現(xiàn)精確的數(shù)控。增益G(dB)=40VG+G0，其中VG為差分輸入電壓，范圍-500～500mV；G0是增益起點，接不同反饋網(wǎng)絡(luò)時也不同。在5、7腳間接一個5kΩ的電位器，從而改變。

3．2 高通濾波模塊
    LTC1068是低噪聲高精度通用濾波器，當(dāng)其用于高通濾波時，截止頻率范圍1 Hz～50 kHz，并且直至截止頻率的200倍都無混疊現(xiàn)象。由于LTC1068的4個通道都是低噪聲、高精度、高性能的2階濾波器，因此每個通道只要外接若干電阻就可以實現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻濾波器的功能。具體電路如圖3所示。其中B端口Q值0．57，A端口Q值約為1。在電路的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，A口的Q值需比B口Q值大，否則信號在截止頻率處幅值會有上翹。

    LTC1068的時鐘頻率與通帶之比為200：1，由于LTC1068內(nèi)部對時鐘信號CLK二倍頻，所以當(dāng)截止頻率最小為1 kHz時，內(nèi)部時鐘頻率其實為400kHz，故在LTC1068后面再加一個截止頻率為450kHz的低通濾波器以濾除分頻帶來的噪聲及高次諧波。
3．3 低通濾波模塊
    用MAX297實現(xiàn)低通濾波器。開關(guān)電容濾波器MAX297可以設(shè)置為8階低通橢圓濾波器，阻帶衰減為-80dB，時鐘頻率與通帶頻率之比為50：1。通過改變CLK的頻率，即可滿足濾波器-3 dB截止頻率在1～20kHz范圍內(nèi)可調(diào)，步進(jìn)1 kHz的要求。
    在使用MAX297時要注意的是，當(dāng)信號頻率和采樣辨率同頻，開關(guān)電容組在電容上各次采到相同的幅度為信號幅值的信號，相當(dāng)于輸入信號為直流的情況，使濾波器輸出一個直流電平。同理，當(dāng)信號頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時，也會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。為此，在其前面，要增加模擬低通濾波器，把采樣頻率及其以上的高頻信號有效地排除。故又用一級MAX297，截止頻率設(shè)置為50kHz。其中時鐘頻率設(shè)置為2．5 MHz。在其后面，也要增加低通濾波器，其截止頻率為150 kHz，以濾去信號的高頻分量，使波形更加平滑。具體電路如圖4所示。

3．4 四階橢圓低通模塊
    系統(tǒng)要求制作一個四階橢圓型低通濾波器，帶內(nèi)起伏≤1 dB，-3 dB通帶為50 kHz，采用無源LC橢圓低通濾波器來實現(xiàn)。用Filter Sol ution模擬仿真濾波器，隨后在Multisim中再模擬仿真并調(diào)整電容、電感的參數(shù)使其為標(biāo)稱值。此外，在橢圓濾波器前后接射級跟隨器避免前后級影岣。具體電路如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件設(shè)計由單片機(jī)和FPGA組成，用戶可以通過界面的顯示選擇高通、低通和橢圓濾波器，可以設(shè)置截止頻率，同時可以顯示幅頻曲線。其中單片機(jī)主要完成用戶的輸入輸出處理和系統(tǒng)控制，F(xiàn)PGA主要完成的功能有：控制AD9851產(chǎn)生掃頻信號、控制濾波器截止頻率的時鐘信號的產(chǎn)生以及控制兩塊D／A以顯示幅頻特性曲線。程序流程圖如圖6所示。

5 測試方案與測試結(jié)果
5．1 放大器測試
    放大器輸入端的正弦信號頻率為10 kHz，振幅為10 mV，設(shè)定增益大小分別為10、20、30、40、50、60dB，用示波器測量實際輸出幅值，計算出實際增益，其誤差小于1％。此外，測得放大器通頻帶為1～200kHz。
5．2 低通、高通濾波器測試
    將放大器增益設(shè)置為40dB，濾波器設(shè)置為低通濾波器，預(yù)置濾波器截止頻率在1～30 kHz范圍，步進(jìn)為1kHz。用示波器測量實際截止頻率，計算相對誤差小于1．5％，且2fc處的電壓總增益小于20dB。高通濾波器測試方法同理。
5．3 橢圓濾波器測試
    放大器增益設(shè)置為40 dB，用示波器測量實際-3 dB截止頻率和200 kHz處的總電壓增益。測得fc=50．0kHz，在150 kHz處幅度就已幾乎衰減到0。
5．4 幅頻特性與相頻特性測試
    測量低通、高通濾波器的頻率特性，在示波器上顯示其幅頻特性曲線，與所設(shè)置的濾波模式及截止頻率相符。

6 結(jié)束語
    本系統(tǒng)放大器增益范圍10～60 dB，通頻帶1～200 kHz，增益誤差小于1％。濾波器截止頻率范圍1～30kHz，誤差小于1．5％。橢圓濾波器截止頻率誤差為0，在150 kHz處幅度幾乎衰減到0。誤差主要來源于時鐘頻率，當(dāng)截止頻率為20 kHz的時候，所需最高的時鐘頻率為2MHz，不能保證很好的時鐘沿，而且時鐘頻率也不可能精確地控制，以及放大器的非線性誤差。此外，利用DAC0800和有效值檢波電路實現(xiàn)了幅頻特性測試儀，系統(tǒng)整體性能良好。整個系統(tǒng)在單片機(jī)和FPGA的有機(jī)結(jié)合、協(xié)同控制下，工作穩(wěn)定，測量精度高，人機(jī)交互靈活。