可調(diào)增益程控濾波器的設(shè)計(jì)
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在信號(hào)處理過(guò)程中，輸入信號(hào)通常是夾雜噪聲和干擾的微弱信號(hào)，而且信號(hào)強(qiáng)度、噪聲和干擾的頻率也是變化的，為了得到高信噪比的輸出信號(hào)，就要求信號(hào)處理電路具有放大和濾波功能，且能夠按照輸入信號(hào)強(qiáng)度的不同，干擾、噪聲頻率的不同而改變信號(hào)處理電路的放大倍數(shù)和濾波器設(shè)置，可調(diào)增益程控濾波器就是為了適應(yīng)這種要求而設(shè)計(jì)出來(lái)的一款信號(hào)處理電路。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由于信號(hào)處理系統(tǒng)的輸入信號(hào)是含有噪聲干擾的微弱信號(hào)，因此首先該系統(tǒng)應(yīng)該能對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大，然后再濾波，濾除干擾和噪聲；其次，該系統(tǒng)還應(yīng)該能根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的大小和噪聲干擾頻率的不同，通過(guò)鍵盤重新設(shè)置系統(tǒng)的增益和濾波器的頻率等，并且將當(dāng)前的設(shè)定值顯示出來(lái)。根據(jù)以上要求，該系統(tǒng)由三部分組成，即程控放大部分、程控濾波部分和鍵盤、顯示部分。整個(gè)系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為控制器，將這三部分連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)可調(diào)增益程控濾波的信號(hào)處理電路，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
2 程控放大部分設(shè)計(jì)
該部分的功能主要是按照給定的增益對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，也就是說(shuō)放大倍數(shù)是由程序控制可調(diào)的，為了完成這樣的功能，在這里選用運(yùn)算放大器AD826和10位D／A轉(zhuǎn)換器AD7520的內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)程控可調(diào)增益的放大電路。AD826具有50 MHz的增益帶寬積和較高輸出驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)于普通信號(hào)的放大完全可以滿足。AD7520內(nèi)部集成了10個(gè)模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)，而且這10個(gè)模擬開關(guān)是可編程控制的，根據(jù)這樣的特點(diǎn)，用AD7520內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)與AD826共同組成程控增益部分電路，原理如圖2所示。
圖2(a)為AD7520內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)，圖2(b)為AD7520與AD826的硬件連接圖，由圖2可以得出放大電路輸入與輸出之間的關(guān)系式如式(1)。其中A1到A10的取值由模擬開關(guān)S1～S10的控制位BIT N(N從1到10)決定，當(dāng)BIT N為“1”時(shí)，即開關(guān)打向與Iout1連接，則AN為1，反之AN為0。
式(1)表明，放大倍數(shù)可以從1～1 024之間任意調(diào)整，只要改變BIT1～BIT10相應(yīng)位的邏輯狀態(tài)就可以控制改變放大倍數(shù)。如：當(dāng)BIT1～BIT10為3FFH時(shí)，由式(1)可計(jì)算出放大倍數(shù)是1倍，也就是0 dB；當(dāng)為98H時(shí)放大倍數(shù)是10倍，也就是20 dB。要做到程控增益，只需要將單片機(jī)的I／O口P1.0～P1.7，P2.0～P2.1與AD7520的管腳BIT0～BIT9依次連接，通過(guò)程序控制單片機(jī)I／O口的輸出狀態(tài)即可完成程控增益的目的。
3 程控濾波部分設(shè)計(jì)
程控濾波部分采用可編程控制的濾波器芯片MAX261來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX261是CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，它無(wú)需外圍元件即可構(gòu)成多種低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，最大工作頻率范圍從0.4 Hz～57 kHz，其原理圖如圖3所示。用MAX261設(shè)計(jì)濾波器時(shí)主要是設(shè)計(jì)5個(gè)參數(shù)，時(shí)鐘頻率fCLK；中心頻率f0，以及對(duì)應(yīng)的編程系數(shù)Nf；品質(zhì)因數(shù)Q，以及對(duì)應(yīng)的編程系數(shù)Nq。其中fCLK由外部晶振頻率決定。這5個(gè)參數(shù)之間是有相互關(guān)系的，計(jì)算起來(lái)很復(fù)雜，為了提高設(shè)計(jì)效率可用MAXIM公司為MAX261濾波器提供的專用設(shè)計(jì)軟件來(lái)計(jì)算。在計(jì)算f0和Q時(shí)應(yīng)選擇不同的工作模式。
MAX261有五種工作模式，分別為：
模式1：可以構(gòu)成-巴特沃思、切貝雪夫、貝塞爾濾波器實(shí)現(xiàn)全極點(diǎn)低通和帶通濾波器。
模式2：用來(lái)構(gòu)成全極點(diǎn)低通和帶通濾波器，和模式1相比，優(yōu)點(diǎn)在于能夠獲得更高的Q值和低噪聲輸出。
模式3：能構(gòu)成高通濾波器，其最大輸入時(shí)鐘頻率小于模式1中采用的頻率。
模式3A：通過(guò)運(yùn)用片內(nèi)自由運(yùn)放把模式3中高通與低通輸出相加構(gòu)成獨(dú)立的帶阻。
模式4：可提供全通輸出，也可用來(lái)提供全極點(diǎn)低通和帶通濾波器。
在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模式。
對(duì)MAX261編程，主要是將編程系數(shù)Nf和Nq寫入濾波器A和B的存儲(chǔ)器中。MAX261的硬件原理圖如圖3(b)所示，用單片機(jī)的I／O口P0.0～P0.3控制四位地址線，用P0.4和P0.5控制數(shù)據(jù)線，P0.6為寫控制位WR。由于Nf是六位的二進(jìn)制數(shù)：F0～F5，Nq是七位的二進(jìn)制數(shù)：Q0～F6，而數(shù)據(jù)位只有兩位，所以對(duì)MAX261編程時(shí)應(yīng)按照表1所示的地址數(shù)據(jù)格式寫入。
對(duì)MAX261寫數(shù)據(jù)時(shí)，地址、數(shù)據(jù)和寫控制位的時(shí)序按照?qǐng)D4所示時(shí)序操作。地址信號(hào)在寫控制位低電平時(shí)有效，數(shù)據(jù)將在WR上升沿時(shí)被寫入由地址確定的存儲(chǔ)單元中。編程時(shí)先讓P0口將地址、數(shù)據(jù)和WR同時(shí)送出，如P0=80H表示W(wǎng)R為低電平，準(zhǔn)備將工作模式1的控制字寫入濾波器A，接著讓P0.6=1，即WR由低跳高，模式1控制字就被寫入存儲(chǔ)單元。
4 鍵盤和顯示部分設(shè)計(jì)
鍵盤用3個(gè)按鍵K1，K2，K3即可完成。K1選擇程控對(duì)象，即選擇當(dāng)前是對(duì)程控放大部分編程還是對(duì)程控濾波部分編程，當(dāng)K1選定后，K2，K3定義為加、減選擇，用來(lái)調(diào)整放大部分的增益或改變?yōu)V波部分的中心頻率。顯示部分用已封裝好的LCD顯示模塊，不需要另行設(shè)計(jì)。
5 結(jié) 語(yǔ)
本系統(tǒng)將3個(gè)器件AD7520，AD826，MAX261有效地結(jié)合起來(lái)，以單片機(jī)為控制器來(lái)控制放大增益和濾波頻率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸人小信號(hào)的前級(jí)放大，后級(jí)濾波，消除噪聲干擾，最終輸出一個(gè)真實(shí)有效測(cè)量信號(hào)，可完成對(duì)測(cè)量信號(hào)的處理功能。
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