程控滤波器30

1、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1KHz30KHz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，本系统的设计可以细分为以下几个部分：放大器模块、滤波

2、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：采用可控增益放大器实现。可控增益放大器（如AD605）内部由

3、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MATLAB的数字滤波器设计软件设计FIR或者IIR滤波器，

4、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

5、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。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。式中C为开关电容组的电容，为该滤波的时钟频率。当用外部时钟改变时，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。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等），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

6、案四，利用集成芯片MAX297实现基本要求中的低通滤波器，利用MAX263实现高通滤波器。采用方案三，利用无源LC滤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MAX263实现截止频率在1KHz50KHz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1K的负载上，各滤波器的

7、输出切换用继电器来实现。本系统采用DAC904实现扫频信号输出，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,DAC904电路、带通滤波器、有效值检波电路、测相电路见附录1图5图8所示。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AD605为核心来实现系统前级放大器。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输出电压幅值一般在1.5V以下，并且AD605处于衰减工作

8、状态时比较稳定，所以我们在信号进入AD605之前，先进行一级前级放大，放大增益为15dB，然后将两级AD605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AD605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10dB步进可调。放大器增益范围在13dB47dB之间时，用16位串口D/A MAX542输出电压控制AD605的增益控制端，其增益步进可以达到0.1dB。其具体电路原理图见附录1图9所示。2、 滤波器部分（1）低通滤波器我们利用MAX297

9、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MAX297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，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MA

10、X297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。MAX297的完整电路原理图见附录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MAX297相似，但它的中心频率与Q值是对外置引脚进行编程来控制的。我们将MAX263的Q值设置为0.790，比值设置为185.35。然后通过改变外部时钟来控制高通滤波器的3dB截止频率。其具体电路原理图见附录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

11、伏1dB，-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，时，相应的归一化参数如下：取无源滤波器的端间匹配阻抗为，截止频率代入公式 其中表示归一化的电容值、电感值；表示以处为通带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：将上述值转换成标称值后，得到的电路原理图如图2所示：图2 四阶椭圆低通滤波器电路原理图 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，截止频率为50.65KHz，在200K处衰减56.45dB，满足题目要求。三、 系统软

12、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信号的频率控制字，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：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数字合成高频信号发生器：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（

13、1）放大器测试测试方法：放大器输入端输入峰值为10mV的正弦信号，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10dB10.1031.03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

14、算相对误差，并检测截止频率步进和处的电压总增益。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处的电压总增益1KHz1.000KHz0几乎为0，只有Vpp约15mV的噪声10KHz10.000KHz0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处的电压总增益1KHz1.000KHz027.16 dB10KHz10.000KHz027.16 dB20KHz19.900KHz0.526.93

15、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2）（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。关键是布板的问题。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

16、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】Schild

17、t,H.（著）C语言大全（第四版）北京：电子工业出版社，2002 七、 附录1、 电路原理图 图5 DAC904电路原理图图6 带通滤波器电路原理图图7 有效值检波电路原理图图8 测相电路原理图图9 前级放大电路原理图图10 MAX297低通滤波器电路图图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0dB0.506dB有噪声10dB10.103dB1.03%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

18、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处的电压总增益1KHz1.000K0几乎为0，只有Vpp约15mV的噪声3KHz3.000K0同上5KHz5.000K0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100Hz1KHz3KHz5KHz7KHz9KHz11KHz13KHz15KHzVpp1.86V1.90V1.90V1.90V1.90V1.90V1.88V1.88V1.88V频率17KHz19KHz21KHz23KHz25KHz27