基于單片機(jī)控制的程控有源濾波器電路

1 引言

有源濾波器廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理、通信、自動控制領(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 開關(guān)電容有源濾波器工作原理

開關(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T1、T2。時(shí)鐘頻率fCLK高于信號頻率。當(dāng)φ1為高電平時(shí)，T1導(dǎo)通(視短路)而T2截止(視開路)，此時(shí)C1與輸人信號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V1斷開而接至運(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之間流過的平均電流為iav=C1V1／TC。若TC足夠短，可近似認(rèn)為這一過程是連續(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，而與電容的絕對值無關(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，即開關(guān)電容濾波器的基本工作原理。

3 MAX262簡介

MAX262是雙二階通用開關(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。對濾波器的工作方式，中心頻率f0，品質(zhì)可通過D0D1，A0～A3端口線在WR上升沿寫入所選中的內(nèi)部單元來設(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。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求濾波器可設(shè)置為低通，其-3 dB截止頻率fc在1 kHz～20 kHz調(diào)節(jié)頻率的步進(jìn)值為1 kHz內(nèi)要求在2fc處濾波器幅頻特性下降不小于10 dB；同時(shí)濾波器可設(shè)置為高通濾波器，其fc范圍及步進(jìn)值與低通模式相同，其要求0.5fc處濾波器幅頻特性下降不小于10 dB。將濾波器A設(shè)置為工作方式1，濾波器B設(shè)置為工作方式3。二階有源低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

(HOLP為直流增益)。令∣GL(s)∣為0.707HOLP處的頻率為fC，則

5程控方式的實(shí)現(xiàn)

由MAX262工作原理可知，當(dāng)工作方式、F0～F5，Q0～Q5值寫入MAX262后，若要對濾波器的工作頻率f0實(shí)現(xiàn)步進(jìn)值為1 kHz的程控，只要使fCLKA／f0(或fCLKB／f0)的比值為56.55即可。本電路設(shè)計(jì)采用8254可編程計(jì)數(shù)器產(chǎn)生fCLKA和fCLKB。8254是3通道16位可編程計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)脈沖頻率fCLK為10MHz，當(dāng)被設(shè)置為工作方式3時(shí)為方波發(fā)生器輸出，通道0的輸出作為知fCLKA，通道1的輸出作為fCLKB。由于8254是16位可編程計(jì)數(shù)器，經(jīng)其分頻后輸出方波的頻率fCLKA和fCLKB對f0的比值接近56.55，若fCLKA、fCLKB為固定值，用F0～F5的設(shè)置時(shí)，fCLKA／f0編或fCLKB／f0僅有64種選擇，顯然精度較低。當(dāng)通過鍵盤輸入f0值后，單片機(jī)計(jì)算出相應(yīng)的分頻系數(shù)MA、MB寫入8254。若步進(jìn)值為固定值，則將對應(yīng)f0的MA、MB以表格形式進(jìn)行存儲，直接查表即可。

6 結(jié)束語

基于單片機(jī)控制的可編程有源濾波器可實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、陷波、全通濾波器。在程序控制下可精確地改變?yōu)V波器的帶寬、中心頻率及品質(zhì)因數(shù)Q，經(jīng)實(shí)際測試效果良好。當(dāng)MAX262作為低通濾波器使用時(shí)，為了抑制開關(guān)頻率fCLKA產(chǎn)生的噪聲，可在濾波器的輸出端串聯(lián)一個(gè)截止頻率小于最低fCLKA的連續(xù)時(shí)間的低通濾波器，其效果更好。