14组程控滤波器.doc

PAGE 程控滤波器 摘要：本系统采用单片机和FPGA构成的最小系统为控制核心，实现程控放大器和程控滤波器的功能。本系统主要包括三个部分：程控放大器部分、程控滤波器部分、和幅频特性测试部分。增益设置为0~60dB可调，步进为10dB，误差小于5%。程控滤波器可实现高通、低通和带通滤波，-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz。同时又制作了带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz的椭圆滤波器。此外，还可精确地测量幅频特性并在LCD上显示幅频特性曲线。系统各项指标均达到甚至超过要求。测试结果均可在LCD上实时地显示，界面友好。 关键词：程控放大 程控滤波 MAX266 幅频特性 方案比较设计与论证? 程控放大方案比较与论证 方案一：采用可控增益运放AD603实现。AD603虽然能够提供很宽的带宽，但在低频段，AD603则失去优势。且AD603输出峰峰值只有6~7V，且外围电路较复杂，需两片级联级间耦合较复杂，容易自激。所以放弃此方案。 方案二：采用D/A转换器来实现。利用D/A转换器内部的电阻网络加上运放，便可控制放大倍数。此种方案虽然外围电路较简单，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：运放+模拟开关+电阻网络。这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。由于题目中只要求测步进为10dB的7种增益，动态范围为60dB，只需将运放的反馈电阻接7种不同的阻值，通过模拟开关切换即可达到要求。此种方法实现上较直观容易，控制起来比较方便也较精确，故采用此方案。 2.程控滤波方案比较与论证 方案一：数字滤波。通过在FPGA内部写入数字滤波器改变其参数来实现。此种方案主要靠软件来实现，可以获得较好的截止特性，但是要消耗FPGA内部大量的资源，增加了软件的难度，同时又需加外部的取样保持及抗混叠滤波电路，综合考虑放弃此方案。 方案二：通过改变通常所用的有源滤波器的电容电阻值来改变滤波器的参数。这样必然需要数量庞大的电阻电容来实现参数的切换，切换电路过于复杂，且会引入很大的分布电容和电感，误差很大。故放弃此方案。 方案三：采用集成的四阶可编程开关电容滤波器实现。MAX26X系列的开关电容滤波器通过时钟控制和软件送入Q值和F0值来设置滤波器的参数，并且可以实现高通、低通、带通等多种滤波器的设计，截止特性较好，并且外围电路较简单，控制起来较容易，故采用此种方案。在本系统中我们采用MAX266实现，其可设置的频率范围最高达140KHz，f0可以精确到0.4Hz，满足要求。 二、整机工作原理与功能实现 系统总体设计 本系统主要包括三个部分：程控放大、程控滤波、和幅频特性测试。其中程控放大器部分又包括前级放大、程控放大和后级放大。程控滤波器部分包括程控滤波和后级放大。幅频特性测试部分包括扫频信号源、前级信号处理、有效值检波、A/D转换模块。各个功能之间采用继电器切换。整个系统由FPGA（ EP1C6Q240C8）和单片机（AT89S52）控制。 总体实现框图 总体实现框图如图2-1所示。其中椭圆滤波和程控滤波共用输出端口，通过继电器切换。 图2-1 系统总体框图 三、理论分析与主要功能电路设计 1、理论分析 (1)程控放大部分 题目要求输入程控放大的信号为峰峰值为20mV，放大0~60dB（即1~1000倍），即输出端的电压峰峰值为20mV~20V。由于输入为小信号，不易采集处理，故所以先加一级前级放大。由于后级的程控滤波器对输入信号的限制（-5V~+5V）和模拟开关特性的限制（峰峰值达不到20V），所以再加一级后级放大。 前级放大采用仪表运放AD620对小信号进行放大，对输入的波形有很大的改善，可以抑制噪声。AD620的增益计算公式为G=1+49.4K/RG。选定前级放大倍数为10倍，则RG的理论值应选择12.35KΩ。选定后级放大为2倍，则程控放大模块放大倍数为1/20~50倍，在增益设置为40dB时，输入到程控滤波器的信号峰峰值为1V，可以达到要求。 程控滤波部分 MAX266是可用电阻或引脚编程的通用开关电容滤波器，为了便于控制，通过外部电阻选定Q值，根据datasheet资料上的计算公式，定Q值为0.707，算出电阻值，具体阻值见功能电路设计中的程控滤波器电路图。由于在设计时，对于低通，MAX266的增益为2倍；而对于高通，增益为1。所以为了和程控放大的增益等，须在