最新程控滤波器30汇总

1、2 007 程 控 滤 波 器 30精品资料程控滤波器摘要：本系统以单片机和FPGA为控制核心，设计并制作了基于开关电容滤波器 的程控滤波器。该滤波器具有高通、低通和带通功能，截止频率在1KHl 30KHZ范围内步进可调。前级放大器采用可控增益放大器实现了增益变化范围为-13dB67dB,开关电容滤波器芯片实现了截止频率数字可调，采用无源LC网络实现了四阶椭圆低通滤波器，利用高速 D/A和有效值检波电路实现了幅频特性测 试仪。此外，系统还扩展了相频特性测试功能。关键字：开关电容滤波器可控增益放大器幅频特性测试一、方案比较与论证1、题目要求本系统要求设计并制作一个程控滤波器。综合分析，本系统的设

2、计可以细分为以下几个部分：放大器模块、滤波器模块、幅频特性测试模块、人机交互模 块。2、方案比较(1) 放大器模块方案一：采用仪表放大器实现。单片仪表放大器(如 AD620)增益可以在11000倍之间可调。通过改变仪表放大器的反馈电阻，从而改变放大器的增益。但是其单位增益带宽积只有12MHz，不能满足系统要求的放大器的通频带特 性。方案二：采用D/A衰减器实现。利用可编程放大器的思想，先将输入的交流信号放大1000倍，再将其作为D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减 器。但是用于控制的数字量与所需的增益（dB）不成线性关系而是指数关系，造成 增益调节不均匀，精度下降。方案三：采用可控增

3、益放大器实现。可控增益放大器（如AD605）内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减 后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而 这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得到，从而实现较精确的数控。AD605的通频带为40MHz，由两级AD605级联，其增益动态 调节范围可达96dB。综上所述：采用可控增益放大器，增益连续可调，电路简单，通频带完全 满足题目要求。所以我们采用方案三。（2）滤波器模块本系统要求设计并制作截止频率可调的低通和高通滤波器以及一个四阶椭圆 低通滤波器。方案一：采用数字滤波器。利用

4、MATLAB的数字滤波器设计软件设计 FIR或 者IIR滤波器，然后在FPGA中用Verilog语言来实现。数字滤波器具有精度高， 截止特性好等优点。但是FIR滤波器会占用太多FPGA资源，IIR滤波器设计时 工作量大且稳定性不高，且要使截止频率可调，必须使用不同的参数，设计起来 软件量比较大。方案二：采用有源RC滤波器。利用运算放大器和电阻、电容等分立元件构 造低通和高通滤波器，然后通过继电器或模拟开关来切换不同的电阻值和电容 值，借此改变滤波器的截止频率。该方案简单易行，但是为了达到系统的基本要 求，必须设计20多套参数来进行切换，硬件复杂，可操作性不强。方案三：采用无源LC滤波器。利用电

5、感和电容可以搭建各种类型的滤波 器。参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易的设计出理想的滤波器。 但是如果要截止频率可调，只有改变电感电容参数，硬件会非常复杂。方案四：采用开关电容滤波器。开关电容滤波器是由M0开关、M0电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。其开关电容组在时钟频率的驱动 下，可以等效成一个和时钟频率有关的等效电阻 ？Skip Record If.?。式中C为开关电容组的电容，？Skip Record If.?为该滤波的时钟频率。当用外部时钟改变？Skip Record If.?时，等效电阻R改变，从而改变了滤波器的时间常数，也 就改变了该低通滤波器的通频带

6、。此方案操作比较简单，而且目前市场上有集成 的开关电容滤波器芯片（如MAX263,MAX297），使用这些集成芯片，可以很大 程度上节约设计时间，提高系统精度。综上所述：我们决定采用方案四，利用集成芯片 MAX29实现基本要求中的 低通滤波器，利用MAX26实现高通滤波器。采用方案三，利用无源 LCS波器技术 来实现四阶椭圆低通滤波器。3、系统总体设计方案与实现框图本系统采用可控增益放大器AD605作为放大器模块的核心，在输入信号进入 AD605之前，先经一级前级放大。然后在 AD605之后再接后级放大，实现 13dB67dB之间的增益调节。采用开关电容滤波器 MAX297和 MAX26裟现截

7、止频 率在1KH50KHZ范围内可调的低通和高通滤波器，采用无源LC滤波器的方法实现四阶椭圆低通滤波器，采用有源 RC滤波器实现带通滤波器，放大器输出的 信号通过滤波器后加在1KQ的负载上，各滤波器的输出切换用继电器来实现。本 系统采用DAC90篠现扫频信号输出，扫频信号通过滤波器后再经有效值检波(AD637电路和测相电路后实现幅频特性和相频特性的测量。系统总体实现框 图如图1所示QAC904电路、带通滤波器、有效值检波电路、测相电路见附录一1图5 图8所示。?Skip Record If.?图1系统总体实现框图二、理论分析与电路设计1、放大器部分我们以可控增益放大器AD60为核心来实现系统前

8、级放大器。根据题目要求， 放大器输入正弦信号幅值为10mV基本部分要求电压增益为40dB,发挥部分要求 电压增益为60dB,所以放大器输出电压最大幅值为10V。而AD605俞出电压幅值一 般在1.5V以下，并且AD60处于衰减工作状态时比较稳定，所以我们在信号进入 AD60之前，先进行一级前级放大，放大增益为 15dB,然后将两级AD60级联，将 其增益设置在-28dB32dB的变化区间。这样前面两级电路输出电压的调整范围 为13dB47dB。在AD60之后，我们再通过继电器切换三级放大电路，放大增 益分别为0dB, 10dB, 20dB。这样系统前级放大器的增益在13dB67dB之间能 以1

9、0dB步进可调。放大器增益范围在13dB47dB之间时，用16位串口 D/A MAX54输出电压控制AD605勺增益控制端，其增益步进可以达到 0.1dB。其具体电路原理图见附录一1图9所示。2、滤波器部分(1) 低通滤波器我们利用MAX297来实现基本要求中的低通滤波器。这种开关电容滤波器是由带有求和和换算功能的开关电容积分器对一梯形无源滤波器网络进行模拟构成的。该器件时钟频率与通带之比为 50:1，改变其时钟频率，其通频带可从 0.1Hz 变化到50kHz,完全满足题目的设计要求。使用MAX29时，当信号频率和采样频率同频，且相位合适时，开关电容组在电容上各次采到相同的幅度为信号幅值的信号

10、，相当于输入信号为直流的情况。因此在采样电容上产生一个直流信号，使滤波器输出一个直流电平。同理，当信 号频率为采样频率的整数倍时，也会出现相同的现象。要去除这种现象，须限制 输入信号的范围，使之小于开关电容滤波器的采样频率(时钟频率)。所以在使 用MAX29时，在其前面，要增加模拟低通滤波器，把采样频率及其以上的高频信 号有效地排除。在其后面，也要增加低通滤波器，滤去信号的高频分量，使波形 更加平滑。MAX29的完整电路原理图见附录一1图10所示。(2) 高通滤波器部分我们利用开关电容滤波器芯片MAX263来实现基本要求中的高通滤波器。该芯片的内部结构原理与 MAX29相似，但它的中心频率？S

11、kip Record If.? 与Q值 是对外置引脚进行编程来控制的。我们将MAX263勺Q值设置为0.790, ?SkipRecord If.? 比值设置为 185.35。然后通过改变外部时钟？Skip Record If.?来控制高通滤波器的3dB截止频率?Skip Record If.?。其具体电路原理图见附录一1图11所示。(3) 椭圆低通滤波器部分系统要求制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏w1dB, -3dB通带为50kHz，我们采用无源LC椭圆低通滤波器来实现。从电子滤波器设计手册上查表得四阶椭圆无源滤波器在？Skip RecordIf.?, ?Skip Record If.?

12、时，相应的归一化参数如下：?Skip Record If.?取无源滤波器的端间匹配阻抗为 ?Skip Record If.?,截止频率?Skip Record If.?代入公式?Skip Record If.? ?Skip Record If.?其中？Skip Record If.?表示归一化的电容值、电感值；?Skip Record If.?表示以?Skip Record If.?处为通带3dB衰减的低通滤波电路中所对应的电容值、电感值。经计算结果如下:?Skip Record If.?将上述值转换成标称值后，得到的电路原理图如图2所示:/YYYX/YYYX图2四阶椭圆低通滤波器电路原理图.

13、rbfem h图3在Multisim中的仿真波形图3是其在Multisim中的仿真波形。从仿真波形上看，该滤波器的通带波动 宽度?Skip Record If.?，截止频率为50.65KHz，在200K处衰减56.45dB，满足题 目要求。三、系统软件的设计系统软件的设计主要有三个部分：（1）设置放大器的增益，控制高低通滤波器的切换并设定其截止频率；（2）幅频特性测试，产生DDS言号的频率控制字，控制频率步进，测量并显示信号通过滤波器后的幅值信息和相位信息（3）人机交互。系统软件流程图如图4所示：?Skip RecordIf.?图4系统软件流程图四、系统测试与分析1、测试使用仪器及型号直流稳压

14、稳流电源：型号 SG1733SB3A60M数字存储示波器：型号 TEKTRONIX TDS1002低频数字信号源：型号 IWATSU SG-4105数字合成咼频信号发生器:型号 SP1461万用表：型号 FLUKE 17B低频毫伏表：型号XJ21822、测试方法与测试数据（1）放大器测试测试方法：放大器输入端输入峰值为 10mV勺正弦信号，将放大器增益设置为 40dB,从100Hz开始增大输入信号的频率，用示波器测试放大器的通频带。然后 将输入信号的频率固定为10KHz预置放大器增益，用低频毫伏表测试其实际增 益，计算增益误差，并检验增益步进。测试结果：预置增益实测增益相对误差波形失真情况10

15、dB10.1031.03 %无明显失真40dB40.0000无明显失真60dB60.0000无明显失真放大器的通频带为：21Hz146KHZ(2)滤波器测试测试方法：将放大器增益设置为 40dB,滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器的 截止频率，用低频毫伏表和示波器测试其实际截止频率，计算相对误差，并检测 截止频率步进和？Skip Record If.?处的电压总增益。高通滤波器的测试方法同上。椭圆滤波器的测试，将放大器的增益设置为40dB,用低频毫伏表和示波器测量其通带起伏，-3dB截止频率和200KHz的总电压增益。测试结果：低通滤波器:预置截止频率实测截止频率相对误差?SkipRecord

16、1KHz1.000KHz0If.? 处的电压总增益几乎为0,只有10KHz10.000KHz0Vpp约15mV的噪 声同上20KHz20.004KHz0.02%同上高通滤波器:预置截止频率实测截止频率相对误差/SkipRecordIf.? 处的电压总增益1KHz1.000KHz027.16 dB10KHz10.000KHz027.16 dB20KHz19.900KHz0.5 %26.93 dB椭圆低通滤波器:通带起伏：PRW=20log( 1.96/1.86)dB= 0.455dB, -3dB 截止频率为 51KHz 在200KHz的电压总增益为1.93dB。（注：以上详细测试数据见附录一2）

17、（3）幅频特性与相频特性测试用幅频特性测试仪和相频特性测试仪测量椭圆滤波器的频带特性，在LCD液晶屏上可以很清楚的观测到幅频特性曲线和相频特性曲线。3、数据误差分析本系统引入误差的因素主要有以下几个：放大器的非线性误差，开关电容滤波器引入的损耗。关键是布板的冋题。五、总结分析与结论本系统较好的完成了题目基本部分及发挥部分的所有要求，系统整体性能良好。此外，系统对题目的各项指标都做了进一步的延拓，增大了放大器的增益调节范围，扩宽了滤波器的可调截止频率范围。系统还扩展了相频特性测试仪。六、参考文献【1】全国大学生电子设计竞赛组委会（编）全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选（2005）.北京：北京理工

18、大学出版社，2007【2】陆明达.开关电容滤波器的原理与设计.北京：科学出版社【3】夏宇闻.Verilog 数字系统设计教程.北京：北京航空航天大学出版社【4】阿瑟.B.威廉斯（著）电子滤波器设计手册北京：电子工业出版社，1986【5】加博C.特默斯（著）现代滤波器理论与设计北京：人民邮电出版社，1982【6】M.S.高西（著）.现代滤波器设计有源 RC和开关电容.北京：科学出版社【7】Schildt,H.（著）.C语言大全（第四版）.北京：电子工业出版社，2002七、附录仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢161、电路原理图图5 DAC904电路原理图图7 有效值检波电路原理图A图9前

19、级放大电路原理图图11 MAX263高通滤波器电路图2、测试数据(1)放大器测试数据:预置增益实测增益相对误差波形失真情况OdB0.506dB有噪声1OdB10.103dB1.03%无明显失真20dB20.090dB0.45%无明显失真30dB29.990dB0.03%无明显失真40dB40.000dB0无明显失真50dB50.050dB0.017%无明显失真60dB60.000dB0无明显失真(2)滤波器测试数据低通滤波器:预置截止频率实测截止频率相对误差？Skip RecordIf？处的电压 总增益1KHz1.000K0几乎为0,只有3KHz3.000K0Vpp约15mV的噪 声同上5KH

20、z5.000K0同上8KHz8.002K0.025 %同上10KHz10.000K0同上15KHz15.004K0.026 %同上20KHz20.004K0.02 %同上30KHz30.005K0.017 %同上40KHz40.000K0同上高通滤波器:预置截止频率实测截止频率相对误差?SkipRecordIf.? 处的电压 总增益1KHz1.000K027.16dB3KHz3.000K027.31dB5KHz5.000K027.238KHz8.000K027.2310KHz10.000K027.1615KHz14.850K1%27.0820KHz19.900K0.5%26.9325KHz25.000K026.53椭圆低通滤波器频率100Hz1KHz3KHz5KHz7KHz9KHz11KHz13KHz15KHzVp- p1.86V1.90V1.90V1.90V1.90V1.90V1.88V1.88V1.88V频率17KHz19KHz21KHz23KHz25KHz27KHz29