程控滤波器的设计

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1 引言    滤波器就是选频电路，可允许一部分频率的信号通过，而抑制另一部分频率的信号，它在数据采集、信号处理和通信系统等领域具有重要作用。这里提出一种基于开关电容有源滤波器的程控滤波器，可自由选择低通、高通和带通模式，也可步进调节滤波器通带截止频率和放大器增益。该程控滤波器设计成本低、实现简单，可广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制等领域。2 系统设计方案    该系统设计由可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪4部分组成。图1为其系统总体设计框图。

    图1中，可控增益放大器部分是以AD603作为核心器件，实现0～60 dB之间的增益调节。AD603为低噪声精密可变增益放大器，温度稳定性高，其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量由加在增益控制接口的参考电压决定；其增益与控制电压呈线性关系，通过单片机控制，而由D／A转换器产生精确的参考电压来控制增益，从而实现较精确的数控，同时可降低干扰和噪声。程控滤波器部分采用开关电容滤波器实现。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的集成滤波器，其开关电容组在时钟频率的驱动下，可等效成1只与时钟频率有关的等效电阻R=1／2πCfc。其中C为开关电容组的电容,fc为滤波器时钟频率。
                          
                       
                          
                                    当用外部时钟改变fc时，等效电阻R改变，从而可改变滤波器的时间常数，也改变滤波特性。    开关电容滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器需要A／D、D／A转换，这样简化电路设计，提高系统的可靠性。该系统采用集成的开关电容滤波器MAX297实现低通滤波，采用MAX263实现高通滤波。    利用电感和电容可搭建各种类型的滤波器该系统利用无源LC滤波器技术，参照滤波器设计手册相关参数，比较容易地实现较理想的四阶椭圆低通滤波器，采用有源RC滤波器实现带通滤波器。    放大器输出信号通过滤波器后加在1 kΩ的负载上，各滤波器的输出切换由继电器实现。该系统以单片机和FPGA为控制核心，辅以DDS扫频电路，经有效值检波电路，实现幅频特性的测试与显示。系统性能指标达到设计要求，工作可靠，用户界面友好。3 理论分析与电路设计3．1 放大器模块    可变增益放大器AD603的控制电压与增益呈线性关系，其增益为G(dB)=40×VG+G0。其中，VG为差分输入电压，VG范围为-500～500 mV。G0是增益起点，接入不同反馈网络时G0也不同。该系统采用AD603的通频带为30 MHz的典型接法，此时G0为20 dB，则增益为0～40 dB。AD603后由继电器控制接入增益为20 dB的同相放大器，从而实现0～60 dB的增益范围，电路如图2所示。

    采用16位串口D／A转换器MAX542输出电压控制AD603的增益，其增益步进可达到0．1 dB，最终设定系统的增益步进为10 dB。3．2 滤波器模块3．2．1 低通滤波器    系统采用开关电容滤波器MAX297实现低通滤波器。 MAX297是8阶开关电容式低通椭圆滤波器，其滚降速度快，从通频带到阻带的过渡带很窄。它由带有求和与换算功能的开关电容积分器模拟梯形无源滤波器网络而构成，其时钟频率与通频带之比为50:1，改变时钟频率，通频带在0．1 Hz～50 kHz范围内变化，增益在通频带内存在的±0.1 dB的波动。    系统设计时，尤其要注意MAX297的使用，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依次采集幅度相同的信号为幅值信号，相当于输入直流信号。因此采样电容产生直流信号，使得滤波器输出也直流电平。同理，当信号频率为采样频率的整数倍时，也会出现相同现象。要除去这种现象，须限制输入信号范围，使之小于开关电容滤波器的采样频率，即时钟频率。因此在使用MAX297时．应在其前面增加模拟低通滤波器，有效滤除采样频率及其以上的高频信号。而在其后面也应增加低通滤波器，滤除信号的高频分量，使波形更加平滑。具体实现电路如图3所示。

3．2．2 高通滤波器    系统采用开关电容滤波器MAX263实现高通滤波器。该器件内部结构与MAX297相似，但其中心频率f0与Q值由外置引脚编程设置。将MAX263的Q值设置为0．790,fclk/f0设置为185．35。通过改变外部时钟fclk控制高通滤波器的3 dB截止频率f0。
                          
                       
                          
                                3．2．3 椭圆低通滤波器    采用无源LC椭圆低通滤波器实现，从滤波器设计手册上查表得四阶椭圆无源滤波器在θ=19°，Ωs=3.311时，相应归一化参数：C1=1．210 F，C2=0．062 42 F，L2=1．220 H，C3=1．891 F，L4=0．846 9 H。取无源滤波器的端间匹配阻抗为R=510 Ω，截止频率fp=50 kHz代入公式：   

式中，Cn，Ln表示归一化的电容值，电感值；C'n，L'n表示以fp为通带3 dB衰减的低通滤波电路中所对应的电容值、电感值。计算结果为：C1=7．56μF，C2=390 pF，L2=1．98 mH，C3=11．81μF，L4=1.38 mH。将上述值转换为标称值后，得到图4所示的电路原理图和仿真波形。

3．3 幅频特性测试模块    FPGA由DDS产生0～200 kHz范围内的扫频信号，DDS产生信号的频率稳定度较高，而且信号的频率步进和信号幅值控制方便。DDS以Nyquist时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成。DDS的基本工作原理：每个参考频率fs上升沿到来时，N位的相位累加器值便按照频率控制字K的长度增加一次，输出所得相位值，正弦查找表将相位信息转化为相应的正弦幅度值。在fs和N一定的情况下，输出波形频率由频率控制字K决定。以一定步进循环增加频率控制字K，输出频率变化的扫频信号。    扫频信号通过被测网络后，由AD637检测有效值，即利用各个频点通过网络后的有效值在示波器上显示其幅频特性图。AD637的外围电路简单，而且当输入峰峰值大于2 V时，其测量误差在100 Hz～1 MHz的范围内可忽略。图5为幅频特性测试模块原理框图。

4 系统软件设计    系统软件设计主要有3部分：(1)设置放大器的增益，控制高低通等滤波器的切换并设定其截止频率；(2)幅频特性测试．产生DDS信号的频率控制字，控制频率步进，测量并显示信号通过滤波器后的幅值信息；(3)人机交互功能。系统软件设计采用模块化思想，模块内部采用层次化设计，将硬件接口处理及初始化部分作为底层的子程序，控制硬件接口的中断并向上层提供接口读取数据；中间层程序完成底层数据的收集和处理，将其结果上传至最终的上层功能控制程序；最后主程序通过调用相关的功能控制模块实现对整个系统的构建。系统软件总体流程如图6所示。

5 测试结果    (1)用信号源在放大器输入端输入峰值为10 mV的正弦信号，在100 Hz～40 kHz范围内，用双踪示波器检测放大器的通频带。预置放大器增益，用低频毫伏表测试输出信号的有效值并检测其实际增益，计算增益误差，检验增益步进。测试结果表明放大器的增益范围为0～60 dB，步进为10 dB，增益误差小于0．5％。
                          
                       
                          
                                    (2)将放大器增益设置为40 dB，输入信号为10 mV，选择高通或低通滤波器模块，预置滤波器截止频率，用低频毫伏表和双踪示波器测试其实际截止频率，计算相对误差，并检测截止频率步进和(低通)或(高通)处的电压总增益，检测到该处电压总增益不超过20 dB。测试结果表明高通和低通滤波器的截止频率在1～30 kHz内可调，频率步进为1 kHz，且截止频率误差小于2％。    (3)椭圆滤波器的测试，将放大器的增益设置为40 dB，用低频毫伏表和示波器测量其通带波动、-3 dB截止频率和200 kHz的总电压增益。测试结果表明该椭圆滤波器的带内波动小于0．2 dB。截止频率为50．15 kHz，在200 kHz处衰减58．35 dB。    (4)幅频特性测试仪的测试，选择各滤波器为被测网络，设定测试信号扫频带宽和步进开始扫频，观察液晶显示屏上的幅频测试图，结果表明幅频特性曲线与被测网络理论计算结果比较相符。6 结论    该系统设计实现各项设计指标，前级放大器采用可控增益放大器实现0～60 dB的增益变化范围，开关电容滤波器实现截止频率在1～30 kHz范围内数字可调，采用无源LC网络实现四阶椭圆低通滤波器，利用高速D／A转换器和有效值检波电路实现幅频特性测试仪，系统性能良好。系统设计简单，可较好地实现滤波器的程控，使用方便，具有较高的性价比、实用性和使用价值。