基于MAX262的程控滤波器设计

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1 引言
    MAX262为双二阶开关电容有源滤波器，可通过单片机SPI总线精确控制滤波器的传递函数。独立编程设置其中心频率和品质因数来实现智能控制,并且可通过附带的滤波器设计软件任意改善滤波特性。
    该系统设计是由放大器、滤波器、幅频特性测试模块、椭圆滤波器和控制模块等部分构成，采用AD603与MAX262相结合,实现任意增益设置以及满足高、低、带通滤波参数的要求。

2 系统设计方案
    该系统方案如图1所示，以低噪声、精密控制的可变增益放大器AD603为核心设计程控增益放大器。其最大增益误差为0．5 db,满足高精度要求，其增益(db)与控制电压(V)成线性关系，因此可使用单片机控制D／A输出电压改变放大器增益,同时减少噪声和干扰。以MAX262为核心的程控滤波器通过单片机SPI总线精确控制滤波器的传递函数，对中心频率和品质因数独立编程设置,实现64级中心频率、128级品质因数的智能控制。点阵式LCD构建友好的菜单界面并显示自定义提示和复杂的图形数据.



    实验增加了幅频特性测试仪，其信号发生部分采用Altera公司的FPGA EP1C6T144C8,利用DDFS技术产生频率范围为100 Hz～200 kHz的扫频信号，频率步进可精确到1 kHz内。信号送入被测网络，输出通过AD637得到信号的真有效值，采用A／D进行采集并发送回单片机进行处理,在液晶显示屏上可画出系统的幅频特性图。

3 理论分析与计算
3．1 程控放大模块
    该系统设计采用两片AD603顺序连接,两极间以电容耦合。由于一片AD603在已定制的模式下增益为-lO db～30 db。带宽为90 MHz，故级联方式可使增益达到-20 db～60 db，控制电压为0 V～2 V。该控制电压由单片机控制8位A／D转换器ADC0832产生，其精度可达2 V／256=0．007 812 5 V，增益精度可达0．312 5 db。因此，完全可满足系统发挥部分中增益60 db，步进10 db的要求。
3．2 MAX262模块
    采用MAX262双滤波器级联构成四阶程控滤波器，输入脉冲是由单片机的ALE通过十六进制计数器进行十六分频所提供的。MAX262的低通滤波传递函数为：
   


    式中,fCLK为输入脉冲频率,fo为中心频率，N1为F0～F5对应的十进制数。
   


    式中：Q为品质因数，N2为Q0～Q6对应的十进制数。
3．3 幅频特性测试模块
    FPGA由DDS原理产生扫频信号，其内置双口RAM频率字位宽32 bit系统时钟fCLK为166 MHz，因此，频率分辨率f=fCLK/232=0．038 64．Hz，其带宽为166 MHz。真有效值转换器AD637的转换公式为Vrms=Avg[VIN／Vrms]，读取输出信号的有效值。

4 系统设计
4．1 硬件设计
4．1．1 增益控制
    增益控制的核心电路由可变增益运算放大器AD603和精密运算放大器ADOP37组成。其中以AD603为核心，辅以外围电路实现程控放大器，其增益与控制电压成线性．单片机控制D／A输出控制放大增益。其电路原理图如图2所示。



4．1．2 程控滤波
    程控滤波主要是由MAX262通过程控实现。MAX262通过单片机SPI总线对滤波器参数编程实现程控滤波器，其中心频率和品质因数分别为64级、128级编程可调，其电路原理如图3所示。



4．2 软件设计
    该系统设计的软件设计流程如图4所示，在选择滤波器种类后等待输入放大增益参数，计算参数对应的D／A输出数值，向D／A发送数据，并锁存。等待接收滤波器的参数，通过计算,对MAX262编程，并控制数据选择器选择输出MAX262的低高通引脚信号。等待接收键盘信息，如果是左右方向键，则改变滤波器截止频率：如果是上下方向键，则改变放大增益。当选择幅频特性测试仪时，通过ADC采样真有效值转换器AD637的输出，通过计算采样结果，得出幅频特性，并在液晶上显示。



5 测试结果
5．1 功能测试
    将输入信号和放大器输出信号分别接入双踪示波器，调整合适的电压幅度，观察两波形区别。放大器输出电压在1 db～10 db范围内无明显失真。
    使用EDA系统板的FPGA和DAC产生扫频正弦波频率范同50 Hz～220 kHz，步进10 kHz，输出端分别接到数字示波器和幅频特性测试仪的输入端。将数字示波器的FFT功能与幅频特性测试仪得到的幅频特性结果相比较，测试的幅频特性测试仪精确性较高。
5．2 参数测试
    波形发生器产生10 mV的正弦波，同时接入双踪示波器的CH1踪和放大器输入端，将放大器输出端接入示波器的CH2踪。通过测试数据可知增益误差<5％。而低通滤波器-3 db截止频率与理论值的误差<4．8％。对于高通滤波器而言，使用数字示波器测量的输出端峰峰值是输入端的0．707倍，其发生器的频率为51．31 kHz。

6 结束语
    基于MAX262的程控滤波器完全达到电压增益10 db步进可控，最大增益40 db；滤波器模式可选，截止频率1 kHz可调，设置显示参数功能等要求．其最大增益可达60 db，扩展了简易幅频特性测试仪。