單片機(jī)的可控放大器程控濾波器設(shè)計(jì)

摘要：基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種可控放大器程控濾波器?？煽胤糯蟛糠忠钥煽胤糯笃鱌GA203為核心，實(shí)現(xiàn)輸出增益的動(dòng)態(tài)調(diào)整；程控濾波器以開關(guān)電容濾波器LMF100為核心，使用DDS芯片AD9850產(chǎn)生可變的時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)濾波器的截止頻率可調(diào)；幅頻特性測試儀采用AD9850產(chǎn)生掃頻信號，AD837進(jìn)行有效值檢測，TLC5510進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換；以STC12C5A32AD單片機(jī)為控制核心，利用鍵盤數(shù)碼管和液晶屏實(shí)現(xiàn)增益和截止頻率的預(yù)置，以及測試和顯示功能。
關(guān)鍵詞：PGA203；LMF100；AD9850；STC12C5A32AD

1 概述
    濾波器是通信系統(tǒng)、信號處理和數(shù)據(jù)傳送等領(lǐng)域中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，尤其在數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中，其性能好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。其中，增益和截止頻率是衡量有源濾波器的重要指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)增益和截止頻率可調(diào)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是采用調(diào)節(jié)反饋電阻和濾波電容，但要使增益和截止頻率步進(jìn)可調(diào)，則必須采用新的方法。
    本文設(shè)計(jì)的程控濾波器系統(tǒng)性能良好，采用可控放大器PGA203級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)60 dB的增益調(diào)制，增益6 dB步進(jìn)可調(diào)(輸入信號電壓振幅為10mV)。對開關(guān)電容濾波器LMF100按不同方式級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)低通、高通的濾波處理，其-3 dB截止頻率在1～25 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)為1kHz；設(shè)計(jì)的簡易幅頻特性測試儀能自動(dòng)測量放大器通頻帶、截止頻率和顯示測試數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    采用雙機(jī)通信的方式。主機(jī)主要用來讀鍵盤、A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，控制液晶屏和從機(jī)。從機(jī)接到主機(jī)的命令后，控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生掃頻信號和時(shí)鐘信號，并控制增益大小。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 增益放大器
    如圖2所示，采用4片數(shù)字控制的可編程增益放大器PGA203和TL082相結(jié)合來進(jìn)行增益放大，其中TL082起微調(diào)作用。為了達(dá)到最好的效果，將濾波器放在3片PGA203和1片PGA203中間，圖2中略。PGA203的數(shù)控增益范圍是1、2、4、8(二進(jìn)制)，對引腳1(A0)、引腳2(A1)輸入不同的邏輯電平?jīng)Q定PGA203的放大倍數(shù)。

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    一片PGA203增益與邏輯電平的關(guān)系如表1所列。經(jīng)過4片PGA203級聯(lián)后，該增益放大器能達(dá)到60 dB的增益調(diào)制，步進(jìn)為6dB。

3．2 濾波模塊
    程控濾波器主要用到LMF100。LMF100是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，由兩個(gè)相互獨(dú)立的通用高性能開關(guān)電容濾波器組成的集成電路。它可以外接時(shí)鐘和2～4個(gè)電阻，組成各種各樣的帶通、低通、高通、帶阻和全通濾波器。LMF100有12種工作方式，其中的方式3可以實(shí)現(xiàn)高通、低通、帶通輸出。為簡化電路，本文的低通和高通濾波都選擇工作在方式3，用一片LMF100內(nèi)的兩個(gè)二階濾波電路級聯(lián)構(gòu)成四階低通濾波器，另一片LMF100構(gòu)成四階高通濾波器，由此設(shè)計(jì)的低通濾波器電路如圖3所示，高通濾波器只要將連接端從連接1腳(LPA)改為連接3腳(HPA)即可。

    各參數(shù)的設(shè)置如下(將LMF100的12腳接高電平)：
   
    其中，fc為截止頻率，fclk為時(shí)鐘頻率。令R4=R2=20 kΩ，則有：
   
    本系統(tǒng)要求低通和高通-3 dB的截止頻率fc為1～25 kHz，由上式可算得fclk的取值范圍為50kHz～1．25MHz。[!--empirenews.page--]
   
    濾波器的時(shí)鐘信號是由單片機(jī)控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生的。AD9850是ADI公司推出的高集成度頻率合成器。它在接上精密時(shí)鐘源和寫入頻率相位控制字之后可產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源，或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。輸出正弦波頻率fout=M·fc／2N，其中fc為外部參考時(shí)鐘的頻率。在本系統(tǒng)中采用20 MHz的參考時(shí)鐘，通過公式FSM=fout×232／20000 000，可由單片機(jī)計(jì)算出頻率控制字FSM。本設(shè)計(jì)需要的截止頻率fc為1～20 kHz，由鍵盤鍵入，通過單片機(jī)計(jì)算后向AD9850寫入相應(yīng)的頻率控制字，即可達(dá)到控制濾波器截止頻率的要求。
3．3 幅頻特性測試模塊
    單片機(jī)從機(jī)控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生掃頻信號，由AD837對濾波器輸出的信號進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換，然后通過A／D轉(zhuǎn)換芯片TLC5510采樣后輸出給單片機(jī)處理，由單片機(jī)主機(jī)控制在液晶屏上繪制幅頻特性曲線圖。
3．4 液晶顯示及鍵盤模塊
    采用I2C接口鍵盤及LED驅(qū)動(dòng)器ZLG7290提供的4x4鍵盤和8個(gè)數(shù)碼管，可以通過鍵盤預(yù)置截止頻率和放大增益，利用數(shù)碼管顯示濾波器的工作模式、截止頻率等各項(xiàng)數(shù)據(jù)。采用液晶顯示模塊LM2068R顯示幅頻特性曲線。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    為了解決I／O口不足的問題，同時(shí)體現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)思想，采用主機(jī)和從機(jī)雙機(jī)通信的方式。主機(jī)主要用來讀取鍵值，向從機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制字，并顯示幅頻特性曲線、增益、截止頻率等信息。從機(jī)開啟串口接收中斷，接收到主機(jī)的控制字后，在中斷子程序里控制兩片DDS芯片分別產(chǎn)生掃頻信號和濾波器的時(shí)鐘信號，同時(shí)，控制PGA203的輸出增益。主機(jī)主程序和從機(jī)中斷子程序的流程分別如圖4、圖5所示。

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5 系統(tǒng)性能測試
5．1 放大器測試
    函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度為10 mV的正弦信號送入放大模塊，在模塊的輸出端口采用模擬示波器測量輸出電壓，并且進(jìn)行增益為6 dB的步進(jìn)調(diào)節(jié)。所得測試數(shù)據(jù)如表2所列。

5．2 濾波器測試
    濾波模塊分低通和高通兩個(gè)部分的測試。用數(shù)字信號發(fā)生器DG101產(chǎn)生正弦信號輸入，用數(shù)字示波器觀察濾波器的截止頻率，并對其進(jìn)行1 kHz的步進(jìn)測試。測試數(shù)據(jù)分別如表3和表4所列。

結(jié)語
    本文介紹了一種以單片機(jī)為控制核心的程控濾波器。系統(tǒng)能夠達(dá)到60dB的增益調(diào)制，6dB步進(jìn)可調(diào)，且最大誤差控制在3．75％以內(nèi)；采用DDS技術(shù)，低通和高通濾波的截止頻率在1～25 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，步進(jìn)1 kHz可調(diào)，且誤差都控制在3％以內(nèi)。幅頻特性測試儀能較好地實(shí)現(xiàn)測量和顯示功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，性能優(yōu)良，人機(jī)交互界面友好，且操作方便。