程控低通滤波器doc.DOC

程控低通滤波器 2011137105 汪昊 2010800436张亚兰 2011112133邓华光 设计任务:（1）设计程控低通滤波器，截止频率等参数可设置。 （2）滤波器-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1k(。 （3）电压增益与截止频率的误差均不大于10% 一、方案论证及选择 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。 1. 方案论证 经过仔细研究分析，我们认为系统的结构框图1.1如下所示： 根据题目要求，我们分以下三部分进行方案设计与论证 1．1主控单元 方案一：采用80C51系列单片机，但其与外围设备的接口电路较为复杂。 方案二：采用凌阳SPCE061A单片机。它中断资源丰富，而且内置了在线仿真、编程接口，可方便地实现在线调试。 经过比较后采用方案二。 1．2 放大器部分 程控放大器的增益，一般有两种途径，一种是改变反相端的输入电阻，另一种是改变负反馈电阻阻值。 方案一：采用模拟开关或继电器作为开关，构成梯形电阻网络，单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而改变放大器的增益。此方案的优点在于简单，缺点是电阻网络的匹配难以实现，调试很困难。 方案二：用DAC的电阻网络，改变电阻的方法，电流输出型DAC内含R-2R电阻网络，可以作为运放的反馈电阻或输入电阻，在DAC输入数据的控制下，实现放大器增益的程控改变。该方案的优点无需外接精密电阻，增益完全由输入的数字量决定，就可以对信号进行放大或衰减，使用方便；缺点是信噪比较低，通频带较窄。 方案三：非易失性数字电位器改变电阻，克服了模拟电位器的主要缺点，无噪声，寿命长，阻值可程控改变，设定阻值掉电记忆。该方案优点是增益范围宽，占用μP口少，成本低。通频带取决于运放的通频带。 在本题中，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通频带为100Hz～40kHz，放大器输出电压无明显失真。由于输入信号幅值很小，所以我们选用高精度的测量放大器AD620。 我们采用方案三，非易失性数字电位器与测量放大器的组合，实现程控放大器。电压增益为60dB，增益10dB步进可调，通频带为100Hz～40kHz，放大器输出电压无明显失真。 1．2 滤波器部分 根据题目要求低通滤波器在2fc处，高通滤波器在0.5fc处，放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB，我们选用二阶电压控制滤波器。  图1.2 二阶电压控制滤波器改变截止频率有以下方案 方案一：采用模拟开关或继电器作为开关，切换不同的RC组合来改变截止频率，优点是电路简单，缺点是电阻网络的匹配难以实现，调试很困难适合截止频率调节档位较少的滤波器。 方案二：固定电容C，采用非易失性数字电位器改变电阻的数值，从而改变截止频率。优点是电路简单， 缺点数字电位器是分档调节，不能实现电阻的连续可调，很难实现截止频率的精确调节。 方案三：利用开关电容技术，利用开关和电容的组合来替代电阻，电容值保持不变，我们只要控制开关的频率，就可以等效的改变电阻，完成对滤波器截止频率的设置。对于具体分析方法在后面有详细叙述。 我们选择方案三，当前较先进的技术，并且已经有了成熟的产品，例如max260可编程滤波器 1.2方案论证 （1）放大器方案论证 放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，对于毫伏级的信号放大一般要采用具有高共模抑制比、高精度、高输入阻抗的测量放大器。放大器电路采用AD620和数字电位器组成。数字电位器使用的是X9241MAPI，它把0-2K,0-10K,0-10K,0-50K四个可调电阻集成在一个单片的CMOS微电路中的数控电位器，步进分别为34Ω，170Ω，170Ω，850Ω，经过组合步进更小，所以放大倍数也被控制在一个很精确的范围。 （2）滤波器方案论证 我们采用的是RC结构的二阶滤波电路。低通滤波时：根据二阶的低通滤波函数，在大于截止频率fc 时，幅频特性曲线以40/10f速度下降，所以在2 fc 处的增益为-12.04dB。再加上放大器的40dB增益，总增益为27.96dB，达到了题目小于30 dB的要求。高通滤波时：根据二阶的高通滤波函数，在小于截止频率fc 时，幅频特性曲线以40/10f速度上升，所以在0.5 fc 处的增益为-12.04dB。再加上放大器的40 dB增益，总增益为27.96dB，也达到了题目小于30 dB的要求。 在电阻的选取上，我们采取了开关电容取代电阻的方案。基本开关电容单元的原理图，如下： 开关S1，S2采用通段受方波信号控制的模拟开关，当￠为高电平时开关S1闭合，当￠为低电平时S1开通。S2的开