程控滤波器设计.doc

程控滤波器 第35组 曾攀 谢桂辉 赵碧杉 摘要：本系统基于开关电容滤波器的原理，以单片机和FPGA为控制核心，实现了程控滤波器的设计。系统前级放大器由精密仪表放大器和数字电位器组成，可以设置60dB的增益调节范围，步进10dB，通带到370KHz，增益误差3%以内。滤波器以集成开关电容可编程滤波器MAX263实现高通滤波器，MAX297实现低通滤波器，截止频率在1k到20k可调，步进为1kHz。本系统还完成了四阶无源椭圆低通滤波器的设计，扩展了带通滤波器的程控功能，以DDS扫频电路实现幅频特性的测试。系统性能达到指标要求，工作可靠，界面友好。 关键字：开关电容滤波器 椭圆低通滤波器 程控滤波 目录 摘要 1 目录 2 一、方案论证与选择 3 1．题目任务要求及相关指标的分析 3 2．方案的比较与选择 3 （1）放大器的论证与选择 3 （2）程控滤波器的论证与选择 4 （3）椭圆低通滤波器的论证与选择 4 （4）扫频信号源的论证与选择 4 （5）幅度测量的论证与选择 5 二、系统总体设计方案及实现方框图 5 三、理论分析与计算 6 1、可变增益放大器的理论分析 6 2、开关电容滤波器的理论分析 6 （1）开关电容滤波器 6 （2）低通滤波器 7 （3）高通滤波器 7 3、椭圆低通滤波器的理论分析 7 四、主要功能电路的设计 8 1、放大器电路 8 2、低通滤波器电路 10 3、高通滤波器电路 10 4、四阶椭圆低通滤波器电路 11 5、有效值测量电路 11 6、A/D转换电路 13 7、DDS输出D/A转换电路 13 8、幅频特性显示D/A转换电路 14 五、系统软件的设计 15 1．软件总体介绍 15 2．程序流程图 15 六、测试数据与分析 15 1．使用仪器及型号 15 2．测试方案（法） 16 3．测量数据 16 4．数据分析 17 七、总结分析与结论 17 八、参考文献 17 附录 17 一、方案论证与选择 题目任务要求及相关指标分析 题目要求设计并制作程控滤波器，放大器增益可设置，低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。其参考原理框图如图1所示。 题目要求放大器输入正弦信号电压振幅10mV，电压增益60dB，10dB步进可调，电压增益误差不大于5%。滤波器可设置成低通或高通滤波器，-3dB截止频率在1k-20kHz范围内可调，步进1kHz。低通滤波器在2fc，高通滤波器在0.5fc处总电压增益不大于30dB。制作四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB，-3dB通带误差不大于5%。制作一个简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号的频率变化范围是100Hz～200kHz，频率步进10kHz。 经分析，本系统的设计主要分以下部分：可变增益放大器，高通滤波器，低通滤波器，四阶椭圆低通滤波器，有效值检波。难点在于放大器增益误差5%，四阶低通椭圆滤波器的设计。 方案的比较与选择 放大器的选择与论证 方案一：采用可变增益放大器芯片。如AD603，改变其增益控制引脚的电压差可实现放大器的增益调节。此电压差可由单片机控制D/A芯片输出控制电压得到但一阶的AD603不能满足增益最高60dB要求，如果进行级联，实现0~60dB的增益动态范围，需要考虑AD603的衰减特性作增益分配，不利于计算和控制。 方案二：采用固定增益放大加D/A程控衰减的方法。首先对信号进行足够增益的放大，然后利用DAC输出信号与参考电压的比例关系，从参考端输入信号，通过改变控制字达到对输出信号衰减控制的目的。此方案只要选择合适的DAC，就可以达到高精度和高灵敏度的增益控制，配合前级信号预放大，可实现增益可程控的放大器。但是由于D/A转换器本身的速度问题，频率范围只能达到几十KHz，对后级要求频率达到200KHz的测试造成影响，而且其噪声也很大，所以放弃此方案。 方案三：采用仪表放大器和数字电位器实现。单片仪表放大器INA129增益可以在1~100倍之间可调。我们通过控制数字电位器来改变仪表放大器的反馈电阻，从而实现放大器的增益可调。INA129增益带宽积很高（200kHz，G=100），采用两级级联的方法即可满足题目要求的放大倍数及通频带特性。 综上所述，本设计采用方案三。 程控滤波器的选择与论证 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，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。而且在滤波器前要加入取样保持电路和模数转换器