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程控滤波器 摘 要:本系统基于开关电容滤波器的原理，以集成滤波器芯片MAX263为核心，实现了一个程控滤波器。前级放大器可以设置60dB的增益调节范围，步进10dB，增益误差5％以内。滤波器可设置为低通或高通模式，截止频率在1k～20kHz内可调，频率步进最低500Hz，误差10％以内。发挥部分中自行设计了50kHz的四阶椭圆低通滤波器，带内起伏0.5dB。系统还扩展了一个可以显示幅频特性曲线的测试仪，频率步进有10kHz和1kHz两档。整个系统操作简单，测试效果良好。 关键字:开关电容滤波器；椭圆低通滤波器；程控滤波器 一、方案论证与选择 1．题目任务要求及相关指标的分析 题目要求设计并制作一个程控滤波器，主要包括一个增益可调节的放大器和一个参数可设置的滤波器。仔细分析后不难发现，题目的难点主要有：放大器增益误差5％，程控高通滤波器的实现，四阶椭圆低通滤波器的设计及实现。 2．方案的比较与选择 (1)前级放大器的方案比较与选择 ①总体结构方案的确定 放大器的输入信号振幅为10mv，属于微弱信号。为了提高其信噪比，便于后级处理，我们对输入信号进行了一级固定增益放大。考虑到题目要求的动态范围较宽，我们把增益调节部分设置为两级。结构框图如下： 图1 放大器结构框图 ②增益调节方案的比较与选择 方案1：利用程控放大电路实现。即采用通用的反相放大电路，通过开关切换不同的反馈电阻，从而改变放大倍数，最终实现放大器的增益调节。 方案2：利用可变增益放大器实现。即选用可变增益放大器芯片，通过给出不同的控制信号改变其放大倍数，从而实现放大器的增益调节。 方案1只能实现有限的增益调节，且电路复杂度随增益步进值的减小而大幅增加；而方案2中只要控制信号足够精确便可实现步进值很小的增益调节，可扩展性和灵活性优于方案1，故本系统采用方案2。 (2)程控滤波器的方案比较与选择 方案1：通过调节电阻电容等元件参数实现。即首先给定大部分元件的参数值，留出一个参数需要改变的元件。然后计算出各个截止频率点对应的该元件的参数值，最后通过开关进行切换，从而实现滤波器参数的程控设置。 方案2：通过集成开关电容滤波器实现。选用频率范围适合的集成滤波器，通过给出与中心频率成一定比例的时钟信号，便可实现截止频率的精确步进。 方案1中，由于实际的电路性能与理论计算结果具有一定差异，故截止频率的精确定位较难，且一旦确定便很难改变。相比而言，方案2只需给出精确的时钟信号便可对截止频率精确定位，且具有较强的灵活性。故本系统采用方案2。 (3)椭圆低通滤波器的方案比较与选择 方案1：利用无源LC电路实现。由LC构成的无源滤波器能更好的处理较高频率输入信号的响应，且4阶滤波器仅包含5个分立元件，实现较为简单。 方案2：利用IIR数字滤波器实现。IIR数字滤波器具有较好的通带起伏和 阻带截止特性，但在实际使用中容易出现数据溢出的现象，实现较为困难。 方案1较方案2实现简单，故本系统采用方案2。 二、系统总体设计方案及实现方框图 根据上面的方案选择，我们确定了最终的系统设计方案。系统数字部分主要包括单片机及FPGA中的放大器增益控制、时钟频率生成和频率特性测量与显示三个模块，模拟部分主要包括放大器、滤波器和幅频特性测试仪三个模块。放大器模块通过三级放大实现0～60dB的增益调节范围，滤波器包括由集成滤波器MAX263构成的低通和高通滤波器以及自行设计的椭圆滤波器，幅频特性测试仪由DDS扫频信号源、有效值检波及A/D转换电路构成。详细的系统组成框图如下： 图2 系统组成框图 三、理论分析与计算 1．可变增益放大器控制信号的理论计算 我们选用AD公司的AD603作为可变增益放大器，该芯片的增益与控制电压的关系式如下: ，为控制电压，改变范围为1V。我们选用16位D/A转换器MAX542用于给出双极性的控制电压，基准源取2.5V，可以得到理论上增益步进的最小值为，远远超过题目要求。 2．开关电容滤波器相关理论分析与计算 (1)滤波器Q值的确定 我们采用了MAXIM公司的集成开关电容滤波器MAX263，它可以通过外接引 脚编程来设置滤波器的Q值。按照数据手册中的资料，Q值与带内最大增益G(V/V)之间的关系为,为使带内尽量平坦，应该使，代入上面的关系式，可得，故可将滤波器的Q值定在0.707左右。 (2)频谱混叠现象的相关理论分析与解决 由于时钟信号的存在，开关电容滤波器相当于一个采样系统，满足奈奎斯特 图6 程序流程图 六、测试数据与分析 1．测试原理与方法 本系统需要测试的数据主要是放大器的电压增益和滤波器-3dB的截止频率。具体测试方案如下图。测试放大器增益时，利用毫伏表测出放大器输入及输出信号的有效值，将算出的增益