参赛编号：320120.DOC

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1KHz～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-13dB～67dB，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 方案比较与论证 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、滤波器模块、幅频特性测试模块、人机交互模块。 方案比较 放大器模块 方案一：采用仪表放大器实现。单片仪表放大器用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。但是控制的数字量的增益(dB)不成线性关系而是指数关系，造成增益调节不均匀，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，从而实现较精确的数控。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。 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－13dB～67dB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1KHz～50KHz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1KΩ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 理论分析与电路设计 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-28dB～32dB的变化区间。这样前面两级电路输出电压的调整范围为－13dB～47dB。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－13dB～67dB之间能以10dB步进可调。放大器增益范围在－13dB～47dB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。 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