基于單片機(jī)的程控有源濾波器電路

有源濾波器廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理、通信、自動(dòng)控制領(lǐng)域，但設(shè)計(jì)可變寬頻帶有源濾波器則比較困難。利用單片機(jī)控制參數(shù)可編程的雙二階通用開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，精確設(shè)置有源濾波器的中心頻率f0，品質(zhì)因數(shù)Q及有源濾波器的工作方式。

2 開(kāi)關(guān)電容有源濾波器工作原理

開(kāi)關(guān)電容有源濾波器的基本原理是在電路兩節(jié)點(diǎn)之間接具有高速開(kāi)關(guān)的電容器，等效于兩節(jié)點(diǎn)之間連接一只電阻。圖1(a)是一個(gè)有源RC積分器，圖1(b)是采用一只接地電容C1和CMOS開(kāi)關(guān)T1、T2替代輸入電阻R1。圖1(c)是不重疊的兩相時(shí)鐘脈沖，用于驅(qū)動(dòng)T1、T2。時(shí)鐘頻率fCLK高于信號(hào)頻率。當(dāng)φ1為高電平時(shí)，T1導(dǎo)通(視短路)而T2截止(視開(kāi)路)，此時(shí)C1與輸人信號(hào)V1相連并充電(如圖1(d)所示)，即有電荷qc1=ClV1。當(dāng)φ2為高電平時(shí)，T1截止而T2導(dǎo)通，此時(shí)C1與輸入信號(hào)V1斷開(kāi)而接至運(yùn)算放大器的輸入端，C1放電，充電電荷qc1傳輸至C2。每一時(shí)鐘周期TC內(nèi)，從信號(hào)源提取的電荷qc1=C1V1提供至積分電容器C2。因此，在節(jié)點(diǎn)1、2之間流過(guò)的平均電流為iav=C1V1/TC。若TC足夠短，可近似認(rèn)為這一過(guò)程是連續(xù)的，因而可在兩節(jié)點(diǎn)間定義一只等效電阻Req，即Req=VI/iav和Req=TC/C1。這樣可得到等效積分器時(shí)間常數(shù)τ，即τ=C2Req=TcC2/C1。顯然，濾波器頻率響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)τ取決時(shí)鐘周期TC和電容比值C2/C1，而與電容的絕對(duì)值無(wú)關(guān)，集成電路工藝制作小容量電容易于實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電容比值恒定時(shí)，改變時(shí)鐘頻率，就可改變?yōu)V波器的截止頻率，即開(kāi)關(guān)電容濾波器的基本工作原理。

3 MAX262簡(jiǎn)介

MAX262是美國(guó)Maxim公司生產(chǎn)的雙二階通用開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，其引腳功能及內(nèi)部框圖如圖2所示。MAX262內(nèi)部集成有2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的二階通用開(kāi)關(guān)電容有源濾波器及1個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器OP。這兩個(gè)有源濾波器既可獨(dú)立使用，也可串聯(lián)使用。對(duì)濾波器的工作方式，中心頻率f0，品質(zhì)可通過(guò)D0D1，A0～A3端口線在WR上升沿寫(xiě)入所選中的內(nèi)部單元來(lái)設(shè)置濾波器的工作方式、中心頻率f0以及品質(zhì)因數(shù)Q等參數(shù)。詳見(jiàn)表1所列。其中，中心頻率f0的范圍為1 Hz～140 kHz。fCLKA和fCLKB為內(nèi)部開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)所需的外部時(shí)鐘，一般為中心頻率f0的幾十至上百倍。

表1中MOM1為工作方式，僅在地址為A3A2A1A0=0000(或1000)時(shí)才能寫(xiě)入。F0～F5為f0控制字，Q0～Q6為品質(zhì)因數(shù)Q的控制字。D0D1=00時(shí)為工作方式1，實(shí)現(xiàn)LP(低通)、BP(帶通)、N(陷波)功能;D0D1=01時(shí)為工作方式2，實(shí)現(xiàn)區(qū)別于工作方式1的LP(低通)、BP(帶通)、N(陷波)功能;D0D1=10時(shí)為工作方式3，實(shí)現(xiàn)LP、BP、HP(高通)功能;D0D1=10時(shí)，若使用獨(dú)立運(yùn)放OP為工作方式3A，實(shí)現(xiàn)有別于工作方式3的LP、BP、HP功能。D0D1=11時(shí)為工作方式4，實(shí)現(xiàn)LP、BP、AP(全通)功能。MAX262有INA、INB兩個(gè)信號(hào)輸入端，允許最大輸入電壓振幅為±4.7 V。

4程控有源濾波器硬件電路設(shè)計(jì)

程控有源濾波器硬件電路框圖如圖3所示。利用89C51控制鍵盤(pán)顯示器8279、可編程計(jì)數(shù)器8254、可編程有源濾波器MAX262。其中8254是3通道16位可編程計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率可達(dá)10 MHz，可向MAX262提供精確的時(shí)鐘頻率fCLKA和fCLKB。