程控滤波器设计060303017曾国平

1、泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 程控滤波器设计 物理与信息工程 学院 电子信息科学与技术 专业 06 级 电信 班学生姓名 曾国平 学 号 指导教师 吴志伟 职 称 讲师 完成日期 2010年05月1日 教务处 制程控滤波器设计物理与信息工程学院 电子与信息科学技术专业 曾国平指导老师 吴志伟 讲师【摘要】以ad603芯片为核心进行增益放大器的设计，实现输出增益的动态调整，动态增益范围在0-60db.以max297等芯片为核心进行程控滤波器的设计，通过时钟频率的动态可调，实现截止频率的动态可调.系统性能满足了设计要求，实现相应功能.【关键词】ad603；max297；ths309

2、1；滤波器目录摘要.20.引言41电路设计41.1 增益放大器41.1.1方案选择41.1.2 ad603简介 ad603的主要技术性能和特点【1】 AD603 的内部结构及原理 AD603 的引脚功能351.1.3 ad603放大电路 ad603部分电路原理图 opa642射级跟随电路 ths3091功率放大电路671.2 程控滤波器的设计91.2.1 低通滤波器91.2.2 高通滤波器111.2.3椭圆低通滤波器112.系统软件的设计113.硬件测试结果123.1 增益放大器测试结果123.

3、2 低通滤波测试结果124 结束语135 致谢13参考文献13英文摘要.14附录一 增益放大器相关图片151增益放大器原理图152增益放大器pcb电路153增益放大器设计实物图16附录二 程控滤波器相关图片161程控滤波器原理图162程控滤波器pcb电路173程控滤波器实物图17 0.引言滤波器就是选频电路，可允许一部分频率的信号通过，而抑制另一部分频率的信号，它在数据采集、信号处理和通信系统等领域具有重要作用。本文提出一种基于开关电容有源滤波器的程控滤波器，可步进调节滤波器通带截止频率和放大器增益。该程控滤波器设计成本低、实现简单，可广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制等领域。1电路设计本

4、系统电路有可控增益放大器，程控滤波器，时钟频率电路，单片机最小系统等组成。增益控制电路采用ad603芯片，结合ths3091来进行设计与其他增益电路相比，该电路可设计增益高，可达到增益动态可调。AD603为低噪声精密可变增益放大器，温度稳定性高，其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量由加在增益控制接口的参考电压决定；其增益与控制电压呈线性关系，通过单片机控制，而由DA转换器产生精确的参考电压来控制增益，从而实现较精确的数控，同时可降低干扰和噪声。程控滤波器部分采用开关电容滤波器实现。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS

5、电容和MOS运算放大器构成的集成滤波器，其开关电容组在时钟频率的驱动下，可等效成1只与时钟频率有关的等效电阻R=12Cfc。其中C为开关电容组的电容,fc为滤波器时钟频率当，用外部时钟改变fc时，等效电阻R改变，从而可改变滤波器的时间常数，也改变滤波特性。开关电容滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器需要AD、DA转换，这样简化电路设计，提高系统的可靠性。该系统采用集成的开关电容滤波器MAX297实现低通滤波，采用MAX263实现高通滤波利用电感和电容可搭建各种类型的滤波器该系统利用无源LC滤波器技术，参照滤波器设计手册相关参数，比较容易地实现较理想的四阶椭圆低通滤波器，采用有源RC滤波

6、器实现带通滤波器1.1 增益放大器1.1.1方案选择方案一：采用较为传统的方法，使用数字电位器和普通的运放电路组成增益电路。该电路通过控制电位器来改变放大器的反馈电阻来实现增益可变。这种方案实现较为简单，但是电位器精度有限，很难实现增益的精确调控，而且信号通过点位器有带宽限制，这样会影响系统的同频带。方案二：用集成多路模拟开关改变电阻. 用不同阻值的固定电阻,通过集成多路模拟开关 ,将其分别接入运放的输入回路,以此来达到改变输入电阻的目的,从而实现对信号的放大或衰减,即改变放大器的增益；还可以用数个运放分别接成同相输入深度负反馈放大器后串联成多级同相放大器,再用模拟开关控制各运放单元反相输入端

7、外接电阻与公共地端的通、断状态,进而控制放大器的增益。但是这种方式的主要缺点是模拟开关的导通电阻影响放大器的增益,影响信号的传输精度。方案三：采用集成可变增益放大器ad603。ad603低噪声，通过单片机可实现精密控制，温度稳定性高，最大增益误差为0.5db。所以本设计采用方案三来设计增益控制电路。1.1.2 ad603简介 ad603的主要技术性能和特点【1】Ad603是90mhz低噪声可编程的放大芯片，采用线性db的增益控制，增益范围在-11-31db 或 9-51db，增益精度为0.5db。电源电压VS : 7. 5V ;输入信号幅度: + 2V ;功耗:400mW ;工作

8、温度范围:AD603A : - 40 85 ;AD603S : - 55 + 125 ;存储温度: - 65 + 150 AD603 的内部结构及原理 2 AD603 的简化原理框图如图1所示, 它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端(V INP) 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电压决定。增益的调整与其自身电压值无关, 而仅与其差值VG 有关, 由于控制电压GPOS/ GNEG 端的输入电阻高达50M ,因而输入电流很小, 致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增

9、益放大器。图2 中的“滑动臂”从左到右是可以连续移动的。当VOU T 和FDB K 两管脚的连接不同时, 其放大器的增益范围也不一样。当脚5 和脚7短接时, AD603 的增益为40Vg + 10 , 这时的增益范围在- 10 + 30dB 。当脚5 和脚7 断开时, 其增益为40Vg + 30 ,这时的增益范围为1050dB 。如果在5 脚和7 脚接上电阻, 其增益范围将处于上述两者之间。AD603的增益控制接口的输入阻抗很高, 在多通道或级联应用中, 一个控制电压可以驱动多个运放; 同时, 其增益控制接口还具有差分输入能力, 设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。 图1 ad603

10、原理图 AD603 的引脚功能3 1脚：gpos 增益控制输入“高”电压端（正电压控制）2脚：geng 增益控制输入“低”电压端（负电压控制）3脚：vinp 运放输入4脚：comm 运放公共端5脚：fdbk 反馈端6脚：vneg 负电源输入7脚：vout 运放输出8脚：vpos 正电源输入 1.1.3 ad603放大电路由于设计要将10mv的电压放大到10v，所以一级ad603达不到增益要求。本设计采用二级ad603串联的接法，这样增益可达到60db.考虑到ad603输出电压有效值小于2v，所以在ad603末级要加个电压放大，同时提高带负载能力。本设计采用ths3091组成功率放

11、大电路进行末级电压放大.ths3061是一种电流型反馈运放，可以做5倍的功率放大。采用18v电压供电，带宽不小于300mhz，其最大输出电流为200ma，若采用一级的ths3091最大电压峰峰达不到10v，所以本设计采用两片ths3091进行并联，这样可以很好的达到设计要求。同时在ad603之前加一级射级跟随，以保证ad603对输入阻抗的要求，这级射级跟随采用opa6.1 ad603部分电路原理图Ad603电路设计如图2所示. J3输入的是来自opa642射级跟随的信号.通过对1脚2脚增益控制口电压的调整的可以实现ad603的增益调整，电路中采用电位器实现对电压的调控。在3脚和

12、4脚间加一电阻.8脚接+5v电源，6脚接-5v电源，采用双电源供电，电源的滤波不能缺少。实验中在5脚和7脚间接了电位器，通过调节电位器可以使5脚和7脚处于短路或者接电阻的状态，由前面对ad603的介绍可知，ad603的输出增益可以实现动态可调，并且调节范围大.7脚为ad603信号输出.Ad603 的1脚的电压调控采用单片机和da7512来进行控制，通过按键设计步进，实现电压增益的调控4。单片机最小系统电路如图3所示。图2 ad603部分电路图3 单片机最小系统原理图采用DA转换器DAC7512是只有6个引脚贴片，输出直接是所需电压，电路连接简单，占的空间非常小，DAC7512是12位串行数模转

13、换，输入有2124096个不同的二进制组态，输出为4096个电压之一，精度非常高，时序也很简单，应用起来方便。 Da7512原理图如图4所示。 opa642射级跟随电路射级电路如图5所示8脚接+5v电源，4脚接-5v电源，采用双电源供电，同样要做好滤波，4脚和8脚分别加稳压管进行稳压。测试结果，射级跟随器输出端出来的信号和输入的信号是几乎一样的，没有出现衰减. ths3091功率放大电路6功率放大电路如图6所示.Ad603出来的信号经过rc低通滤波器后进入ths3091的正向3脚。通过调节Ths3091 2脚和6脚间的电阻可以对输出电压进行调整。输出端接50欧姆电阻

14、，每片ths3091为其提供一半的电流。测试结果较好的实现了题目的要求，功率放大了将近5倍，电压放大了10倍。 图4 da7512原理图。图5 opa642射级跟随电路图6 ths3091功率放大电路1.2 程控滤波器的设计1.2.1 低通滤波器 方案选择低通滤波器的设计有很多种，本设计采用的是max297开关电容滤波器芯片来进行低通滤波器的设计，该芯片具有较好的滤波效果，频带宽，出来信号波形好。下面对各种滤波方案进行分析。方案一：传统的rc低通滤波器。该电路的设计比较简单，分有源rc电路和无源的rc电路。有源的rc电路效果相对要好于无源的rc电路，而且也比较好调节截止频率。但是

15、电路一旦确定后截止频率较难实现动态可调5。方案二：lc低通滤波器。Lc低通滤波器的设计和rc电路一样0也是较为简单。Lc滤波器设计遵循最少电感，多用电容，这样可以保证高q值。但是很难实现截止频率的动态调整。方案三：采用adc电路对输入信号采样，采样结果存到fpga内部进行数字信号处理，设计滤波器的参数，从而改变滤波器的截止频率，处理后的数据通过dac变换为模拟信号输出。此方案滤波过程数据化，灵活性高，性能优异，但硬件设计工作量大，软件实现也较为困难。方案四：采用集成的开关电容滤波器芯片7。开关电容滤波器是由mos开关、mos电容和mos运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。特点：时钟频率一

16、定时，开关电容滤波器的特性仅仅取决于电容的比值，因此，电容的比值精度可达0.01，并且具良好的温度稳定性；电路结构确定后，开关电容滤波器的特性仅仅与时钟频率有关，改变时钟频率就可以改变其滤波器特性。由以上的方案对比可以看出方案四比较可行，所以本设计采用方案四进行滤波器的设计，使用芯片max297进行低通滤波器的设计。 max297简介MAX297是8阶开关电容式低通椭圆滤波器，其滚降速度快，从通频带到阻带的过渡带很窄。它由带有求和与换算功能的开关电容积分器模拟梯形无源滤波器网络而构成，其时钟频率与通频带之比为50:1，改变时钟频率，通频带在01 Hz50 kHz范围内变化，增益在

17、通频带内存在的0.1 dB的波动。Max297 一般采用5v双电源供电，有8脚和16脚的，本实验采用的是8脚双列直插，max297的引脚如图7所示。各个引脚功能如下：1脚：clk 时钟频率输入2脚：v- 负电源输入3脚：op out4脚：op in5脚：in 信号输入端6脚：v+ 正电源输入7脚：gnd 地端8脚：out 信号输出端图7 max297 引脚图： max297电路设计设计时，尤其要注意MAX297的使用，当信号频率和时钟频率同频，且相位合适时，开关电容组在电容上依次采集幅度相同的信号为幅值信号，相当于输入直流信号。因此采样电容产生直流信号，使得滤波器输出也直流电平

18、。同理，当信号频率为采样频率的整数倍时，也会出现相同现象。要除去这种现象，须限制输入信号范围，使之小于开关电容滤波器的采样频率，即时钟频率。因此在使用MAX297时应在其前面增加模拟低通滤波器，有效滤除采样频率及其以上的高频信号。而在其后面也应增加低通滤波器，滤除信号的高频分量，使波形更加平滑。电路原理图如图8所示。图8 低通滤波器电路 前级和后级模拟低通滤波器采用有源运放rc低通滤波器接法，设置的低通滤波器的截止频率为100khz.运放采用的是lf356，这种集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid（1091012）W，IIB为几皮安到几十皮安。用FET作输入

19、级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。采用的是双列直插Lf356，电源脚为4脚和7脚，采用15v双电源供电，同时做好电源滤波工作。3脚为信号输入端，经低通滤波器后的信号送入此脚，低通滤波器电路如图8中所示。反向输入端为2脚，运放输出顿为6脚，具体的电路接法如图8所示。时钟频率采用单片机来进行控制，以达到程控。单片机采用stc8051的话频率达不到系统的要求，外围晶振接11.0592mhz，输出地方波最大也只能达到68khz，即使换了频率更高的晶振，输出地最大频率只能到400khz左右，而且出来的方波占空比达不到百分之五十，无法满足时钟频率到达

20、2mhz的要求。所以要选用功能更为强大单片机c8051f，该芯片输出地方波可以达到2mhz，而且输出波形非常好，能满足系统要求8。1.2.2 高通滤波器采用开关电容滤波器MAX263实现高通滤波器。该器件内部结构与MAX297相似，但其中心频率f0与Q值由外置引脚编程设置。将MAX263的Q值设置为0790,fclk/f0设置为18535。通过改变外部时钟fclk控制高通滤波器的3 dB截止频率f0。1.2.3椭圆低通滤波器采用无源LC椭圆低通滤波器实现，从滤波器设计手册上查表得四阶椭圆无源滤波器在=19，s=3.311时，相应归一化参数：C1=1210 F，C2=0062 42 F，L2=1

21、220 H，C3=1891 F，L4=0846 9 H。取无源滤波器的端间匹配阻抗为R=510 ，截止频率fp=50 kHz代入公式式中，Cn，Ln表示归一化的电容值，电感值；Cn，Ln表示以fp为通带3 dB衰减的低通滤波电路中所对应的电容值、电感值。计算结果为：C1=756F，C2=390 pF，L2=198 mH，C3=1181F，L4=1.38 mH。将上述值转换为标称值后，得到图9所示的电路原理图。图9 椭圆滤波电路2.系统软件的设计 本系统软件的设计主要包括两部分：一是放大器增益部分的设计；二是时钟频率的设计。增益放大器控制部分采用单片机stc8051结合da7512来进行调节，通

22、过按键进行增益步进调控。滤波器的时钟频率可通过c8051f来产生，通过设置相应按键实现截止频率的却换。具体实现流程图如图10所示。开始系统初始化可控增益放大器低通滤波器主菜单设置增益倍数设置截止频率返回高通滤波器椭圆滤波器设置截止频率图10 软件流程图3.硬件测试结果3.1 增益放大器测试结果用信号源在放大器输入端输入峰值为10 mV的正弦信号，在1Hz50 kHz范围内，用双踪示波器检测放大器的通频带。预置放大器增益，用低频毫伏表测试输出信号的有效值并检测其实际增益，计算增益误差，检验增益步进。测试结果表明放大器的增益范围为060 dB，步进为10 dB，增益误差小于05。通过opa642射

23、级跟随器，ad603电压增益，ths3091功率放大三部分电路的整合，很好的额实现了电压的增益放大。电压很好的从10mv放大到了10v，实现了60db增益的要求，而且输出信号的波形也没有出现失真，波形保持的较为完好，为下一级的滤波做了较好的准备。3.2 低通滤波测试结果将放大器增益设置为60 dB，输入信号为10 mV，选择低通滤波器模块，预置滤波器截止频率，用低频毫伏表和双踪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电压总增益，检测到该处电压总增益不超过20 dB。测试结果表明低通滤波器的截止频率在150 kHz内可调，频率步进为1 kHz，且截止频率误差小于2。程控滤波器

24、的设计围绕max297开关电容滤波器芯片来进行，加上运放芯片lf356组成的前级和后级rc低通滤波器，对输入信号进行整形滤波，保证了进入到max297信号的质量。同时采用单片机控制时钟频率，实现了滤波器的截止频率动态可调，真正的实现了低通滤波器的程控。测试结果如表1所示。表1时钟频率（khz）-3db截止频率（khz）通频带（khz）500.2310.4660-10.008600.4312.5290-12.001799.1516.7230-16.0011001.320.8910-20.0151501.131.2950-30.0192000.141.8400-40.045由测试的数据可以看出ma

25、x297芯片功能，时钟频率与通频带之比为50:1，改变时钟频率，通频带在01 Hz50 kHz范围内变化。Max297具有很强的滤波能力，当频率大于其通频带时，信号衰减很快，随着频率的不断增大，信号几乎被压缩的等于零。测试结果基本满足系统要求。4 结束语本系统实现了各项设计，前级放大器采用可控增益放大器实现060 dB的增益变化范围，开关电容滤波器实现截止频率在0.1hz50 kHz范围内数字可调，系统性能良好。系统设计简单，可较好地实现滤波器的程控，使用方便，具有较高的性价比、实用性和使用价值。5 致谢此次将近两个月的毕业设计，得到了同学和老师的倾心相助，在此要给予深深地感谢。虽然在设计过程

26、中碰到了不少的问题，但是自己努力地找出每个问题根源所在并合理的一一将其化解，最后完成了任务。特别要感谢吴志伟老师在电路制作和硬件调试过程中给予的宝贵帮助，使自己少走了好多弯路，最终顺利完成毕业设计。参考文献1刘春生，李小波。AD603 在信号采集系统中的应用【J】。新器件应用，2000，11.2 曾真，施智强，何欣，唐铭杰。宽带放大器【J】。国外电子元器件，2008年第1l期.3 AnMog Devices IncAD603 Data sheetEBOLhttp：www analogcomproductSeleetionpdfAD603_prapdf,20034 李朝青.单片机原理及接口技术M北京：北京航空航天大学出版社,20055(美国) Arthur B.Wi