程控滤波器报告.docx
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程控滤波器报告
程控滤波器（D题）设计报告
摘要
本系统由可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪四大部分构成。
可控增益放大器部分以可变增益放大器AD603作为核心器件，实现了输出增益的动态调整；程控滤波器和椭圆滤波器采用集成开关电容滤波器芯片LTC1068构成，采用DDS技术产生可变时钟改变滤波器截止频率，实现滤波器带宽可调；以AT89C55WD单片机和XilinxXC3S200FPGA作为控制核心，辅以DDS扫频电路，并通过有效值测量电路实现幅频特性的测试和显示；系统性能指标达到了设计要求，工作可靠，用户界面友好。
一.系统方案
1.系统总体构成
根据题目要求，本系统设计目标包括四大部分：
可变增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪。
系统构成如图1.1.1所示，下面对各部分进行方案论证。
图1.1.1系统构成框图
2.可控增益放大器方案
方案一：
使用数字电位器和普通运放组成放大电路。
通过控制数字电位器来改变放大器的反馈电阻实现可变增益。
这种方案硬件实现较简单，但限于数字电位器的精度较低、档位有限，这种方案很难实现增益的精确控制，同时数字电位器本身有通过信号的带宽限制，在运放环路中会影响整个系统的通频带宽。
方案二：
采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA。
用DAC可以产生一个精确的电压控制增益，便于单片机控制，同时可以降低干扰和噪声。
综上所述，本设计采用方案二，采用集成可变增益放大器AD603。
AD603是一款低噪声，精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB,满足题目要求的精度，其增益（dB）与控制电压V呈线性关系，可以采用DAC来控制放大器的增益。
3.程控滤波器方案
方案一：
采用ADC对输入信号采样，采样结果存储到FPGA内部进行数字信号处理过程，通过设置数字滤波器的参数，可以改变滤波器的截止频率等参数，经过处理后的数据通过DAC变换为模拟信号输出，从而实现对原信号的滤波过程。
该方案将滤波过程数字化，滤波器的参数全部取决于数字滤波算法，具有灵活性高，性能优异的优点，不足是硬件设计工作量大，软件算法实现困难，在短期内难以达到设计目标。
方案二：
采用集成的开关电容滤波器芯片。
开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。
其特点是：
（1）当时钟频率一定时，开关电容滤波器的特性仅取决于电容的比值。
由于采用了特种工艺，这种电容的比值精度可达0.01％，并且具有良好的温度稳定性。
（2）当电路结构确定之后，开关电容滤波器的特性仅与时钟频率有关，改变时钟频率即可改变其滤波器特性。
（3）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那样需要A/D、D/A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。
通过比较两种方案，本系统的程控滤波器设计采用集成开关电容滤波器实现。
4.椭圆滤波器方案
方案一：
采用分立元件+普通运放实现。
实现四阶椭圆滤波器可以通过级连两级低通带阻滤波器实现，级联的滤波器结构可以为双T低通陷波器，KHN低通陷波器，MB低通陷波器等多种方式。
该方案优点是电路简单易于实现，不足之处在于电路设计精度很难保证，特别是对于关键指标如带内波动，-3dB带宽的微调很不便。
方案二：
采用集成的开关电容滤波器芯片。
集成开关电容滤波器通常内置多种滤波器模块，通过外接少量电阻可以将各种模块配置为高通，低通，带通，带阻等常见形式，由于其滤波器的截止频率由外部时钟决定，只要有一个稳定的外部时钟，滤波器的截止频率是可以保证精度的，同时，为了校准元件误差，可以通过时钟频率的微调改变滤波器的截止频率，从而使其准确的达到设计要求。
为了提高设计精度，本系统椭圆滤波器设计采用集成开关电容滤波器实现。
5.幅频特性分析仪方案
方案一：
用压控振荡器产生扫频信号，以单片机为控制核心，通过A/D、D/A等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性的数显。
此方案利用单片机控制，控制较为灵活，但是压控振荡器产生信号的频率稳定度较低，且电路复杂。
方案二：
采用DDS产生扫频信号，利用真有效值测量芯片AD637和A/D接口电路实现扫频信号频率的步进调整及被测网络幅频特性的数显。
DDS产生信号的频率稳定度较高，而且信号频率的步进和信号幅度控制方便。
综上所述，本设计采用方案二，采用集成DDS芯片AD9850产生扫频信号，在测试网络输出端利用AD637和A/D转换芯片TLC1549进行信号有效值的转化和测量。
二.理论分析与计算
1.低通滤波器参数选取
题目中要求
处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。
而放大器的增益为40dB，所以滤波器在
处的衰减A要不小于10dB。
但为了保证设计指标的可靠性，本系统将此衰减A定为20dB。
滤波器的归一化频率
，可以计算出滤波器的最小阶数为
，因此本设计的滤波器阶数定为四阶。
通过查找巴特沃兹滤波器参数表，可以得到四阶低通函数归一化近似函数为：
2.高通滤波器参数选取
根据频率变换原理，高通滤波器可以转化为低通滤波器的设计。
根据低通与高通的S域变换关系，相应的低通滤波器的参数为：
设衰减A=20dB,归一化频率
。
此时低通滤波器的最小阶数
，因此对应的高通滤波器的阶数定为四阶。
四阶巴特沃兹低通滤波器的传输函数
，设
，根据低通与高通的S域变换关系：
，可得四阶巴特沃兹高通滤波器的传输函数为：
3.椭圆滤波器参数选取
根据题目对椭圆滤波器的要求，阶数
，通带
，阻带
，带内起伏
，
，带外衰减
，为了保证设计指标达到，本系统按照带内起伏
，阻带带宽
进行设计，可以求得阻带和通带的边界之比
，通过查找椭圆滤波器参数表，可以查得四阶椭圆函数在
=3时可以达到64.1dB的衰减，其归一化近似函数为：
三．系统电路设计
1.程控放大器电路设计
本设计将此部分电路分为两级：
增益控制部分和电压放大部分。
增益控制部分采用AD603通频带最宽的一种接法。
电路图如图3.1.1所示，设计通频带为90MHz，增益为-10dB~+30dB，输入控制电压为-0.5V~+0.5V。
增益和控制电压的关系为：
。
一级的增益只有40dB,使用两级串联，增益为：
增益范围是：
-20dB~+60dB,满足题目要求。
图3.1.1可控增益放大器电路
考虑到AD603的输出有效值<2V，本设计在增益控制部分后选用两级三极管进行直流耦合和发射级直流负反馈来构建末级电压放大，同时提高放大电路的带负载能力。
选用2N3904和2N3906三极管，可达到25MHz的带宽。
功率放大级电路见附图1。
2.低通滤波器电路设计
LTC1068是LINEAR公司的一款开关电容滤波器芯片，其中包含四个通用二阶模块，每个模块都可以配置成高通、低通、带通、带阻等常见形式，滤波器的外部元件参数一旦确定，便可以使用时钟来调节截止频率。
LTC1068共有模式1、模式1b、模式2、模式3共四种工作模式，对应不同的滤波特性。
经过计算，低通滤波器电路设计采用LTC1068的两级滤波器模块组成四阶Butterworth低通滤波器，第一级滤波器的Q=1.3066，第二级滤波器的Q=0.5412，
。
两级滤波器模块都工作在模式1下的低通模式，根据芯片手册提供的元件参数计算公式计算出外围电阻值，最终电路图见附图2。
3.高通滤波器电路设计
高通滤波器电路设计采用LTC1068的两级滤波器模块组成四阶Butterworth高通滤波器，经过计算，第一级滤波器的Q=0.5412，第二级滤波器的Q=1.3066，
两级滤波器模块都工作在模式3下的高通模式，根据滤波器的参数可以计算出每级滤波器对应的外围电阻值，最终设计电路图见附图3。
4.椭圆滤波器电路设计
椭圆滤波器电路设计采用LTC1068的两级滤波器模块组成四阶椭圆函数低通滤波器，经过计算，第一级滤波器的参数：
Q=3.1267，
;第二级滤波器的参数Q=0.7126,
，第一级滤波器模块工作在模式2下的低通模式，第二级滤波器模块工作在模式1b下的低通模式，最终设计电路图见附图4。
5.简易幅频特性测试仪设计
幅频特性测试仪框图如图3.5.1所示，单片机与FPGA控制DDS扫频源AD9850以一定步进产生扫频信号，同时测量并记下其通过被测网络后的有效值，利用各个频点通过网络后的有效值可在液晶上画出其幅频特性图。
有效值测量采用集成芯片AD637，其外围电路简单，而且当输入峰峰值大于2V时，其测量误差在100HZ-1MHZ的范围内基本上可以忽略。
最终设计电路图见附图5及附图6。
图3.5.1幅频特性分析仪框图
四.系统软件设计
系统软件基于单片机开发系统keilC51以及FPGA开发系统XILINXISE开发，本系统软件流程图如图4.1所示，单片机通过扫描用户键盘输入进入相应功能模块：
图4.1系统软件流程图
五．测试方法与测试结果
1.程控放大器电路测试
测试方法：
用经过校准的信号源在信号输入端加10mV正弦波。
在100Hz~40KHz频带内，按照一定的频率步进设置测试点，在每个频率测试点以10dB为步进，从0dB到60dB测试七组数据，测试数据详见附表1。
2.低通滤波器电路测试
通频带测试方法：
使用标准信号源产生一个稳定的5V正弦信号连接到滤波器的输入端，在1KHz到20KHz的频率范围内，以1KHz为步进，调节低通滤波器的截止频率，测试滤波器的-3dB带宽，测试数据详见附表2。
增益测试方法，将程控放大器的输出连接到低通滤波器的输入，程控放大器电压增益调节到40dB，输入信号10mV，滤波器输入信号此时大于等于1V，在2fc处测试滤波器输出电压幅度，换算成dB,测试数据详见附表3。
3.高通滤波器电路测试
通频带测试方法：
同低通滤波器通频带测试方法，测试数据详见附表4。
增益测试方法：
只需将低通滤波器测试方法中的2fc换为1/2fc,测试数据详见附表5。
4.椭圆滤波器电路测试
通频带测试方法：
同低通滤波器通频带测试方法，只用将频率范围扩展到50KHz,测试数据详见附表6。
增益测试方法：
将程控放大器的输出连接到椭圆滤波器的输入，程控放大器电压增益调到60dB，输入信号10mV，滤波器输入信号此时等于10V，在200KHz处测试滤波器输出电压幅度，换算成dB。
5.简易幅频特性测试仪测试
测试方法：
目测法，将被测网络接入简易幅频特性测试仪，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，与被测网络理论计算结果比较得出结论。
六.结论
通过测试结果分析可以发现本系统的各项指标均达到或超过了相应的要求：
指标名称
题目要求
本系统指标
可变增益放大器
最大增益/dB
60
60
增益步进/dB
10
1dB,10dB可选
增益误差/%
<5%
<2%
放大器通频带
100Hz~40KHz
100Hz~1MHz
低通
滤波器
-3dB截止频率
1KHz~20KHz可调
1KHz~50KHz可调
截止频率调节步进
1KHz
100hz
2fc处放大器与滤波器的总电压增益/dB
<30dB
<25dB
高通
滤波器
-3dB截止频率
1KHz~20KHz可调
1KHz~50KHz可调
截止频率调节步进
1KHz
100Hz
0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益/dB
<30
<25
椭圆
滤波器
带内起伏/dB
<1
<0.6
-3dB通频带
50KHz
50.5KHz
200KHz处的总电压增益/dB
<5dB
<1dB
-3dB通带误差/%
<5
<2
幅频
特性
测试仪
扫频输出信号的频率变化范围
100Hz～200KHz
100Hz～200KHz
频率步进
10KHz
500Hz
附录
附图1可控增益放大器功率放大级电路图
附图2低通滤波器电路图
附图3高通滤波器电路
附图4椭圆滤波器电路
附图5真有效值检测电路图
附图6DDS扫频信号源电路图
0dB
10dB
20dB
30dB
40dB
50dB
60dB
100Hz
10.5mV
33.1mV
104.8mV
320.1mV
960mV
3.0V
9.6V
500Hz
10.5mV
32.9mV
97.5mV
314.5mV
998.7mV
3.1V
9.9V
1KHz
10.4mV
32.5mV
98.2mV
315.2mV
1.0VmV
3.2V
10.1V
5KHz
10.4mV
32.1mV
98.6mV
314.9mV
1.0VmV
3.2V
10.1V
10KHz
10.3mV
32.2mV
99.8mV
315.2mV
1.0VmV
3.2V
10.1V
20KHz
10.1mV
31.8mV
100.6mV
317.2mV
1.0VmV
3.2V
10.1V
30KHz
10.2mV
32.1mV
101.2mV
318.4mV
975mV
3.0V
9.8V
40KHz
10.4mV
32.2mV
102.4mV
320.6mV
970mV
3.0V
9.7V
附表1程控放大器电路测试数据
频率
1KHz
2KHz
3KHz
4KHz
5KHz
6KHz
7KHz
8KHz
9KHz
10KHz
实测带宽KHz
1.01
2.02
3.02
4.02
5.04
6.08
7.08
8.06
9.06
10.10
误差%
1
1
0.7
0.5
0.8
1.3
1.1
0.8
0.7
1
频率
11KHz
12KHz
13KHz
14KHz
15KHz
16KHz
17KHz
18KHz
19KHz
20KHz
实测带宽KHz
11.10
12.12
13.14
14.18
15.15
16.20
17.45
17.85
18.81
19.75
误差%
0.9
1.0
1.1
1.3
1.0
1.3
2.6
0.9
1.0
1.3
附表2低通滤波器通频带测试数据
频率（2fc）
2KHz
4KHz
6KHz
8KHz
10KHz
12KHz
14KHz
16KHz
18KHz
20KHz
实测
幅度/mV
167.2
166.5
166.2
165.4
167.1
165.6
165.3
164.2
163.5
164.4
增益（dB）
24.45
24.43
24.41
24.37
24.46
24.38
24.36
24.31
24.27
24.32
频率（2fc）
22KHz
24KHz
26KHz
28KHz
30KHz
32KHz
34KHz
36KHz
38KHz
40KHz
实测
幅度/mV
163.2
162.4
163.1
160.5
158.4
155.4
153.3
152.3
151.1
150.1
增益（dB）
24.25
24.21
24.25
24.11
23.99
23.83
23.71
23.65
23.59
23.53
附表3低通滤波器增益测试数据
频率
1KHz
2KHz
3KHz
4KHz
5KHz
6KHz
7KHz
8KHz
9KHz
10KHz
实测带宽/KHz
1.01
2.01
3.02
4.04
5.03
6.03
7.04
8.06
9.04
10.08
误差%
1
0.5
0.7
1
0.6
0.5
0.6
0.8
0.4
0.8
频率
11Khz
12KHz
13KHz
14KHz
15KHz
16KHz
17KHz
18KHz
19KHz
20KHz
实测带宽/KHz
11.02
12.04
13.06
14.10
15.06
16.04
17.12
18.02
19.06
20.06
误差%
0.2
0.3
0.5
0.7
0.4
0.3
0.7
0.1
0.3
0.3
附表4高通滤波器通频带测试数据
频率（1/2fc）
0.5KHz
1KHz
1.5KHz
2KHz
2.5KHz
3KHz
3.5KHz
4KHz
4.5KHz
5KHz
实测
幅度/mV
180.1
179.2
179.6
178.4
178.0
178.8
176.8
178.2
176.5
176.4
增益（dB）
25.11
25.07
25.09
25.03
25.00
25.05
24.95
25.02
24.93
24.93
5.5KHz
6KHz
6.5KHz
7KHz
7.5KHz
8KHz
8.5KHz
9KHz
9.5KHz
10KHz
实测
幅度/mV
178.6
176.4
174.6
175.3
173.6
172.2
171.5
170.6
171.2
168.4
增益（dB）
25.04
24.93
24.84
24.88
24.79
24.72
24.68
24.64
24.67
24.53
附表5高通滤波器增益测试数据
频率
1KHz
10KHz
15KHz
20KHz
25KHz
30KHz
35KHz
40KHz
45KHz
50KHz
输出幅度/V
5.52
5.52
5.44
5.32
5.20
5.00
4.96
5.25
5.20
3.85
频率
51KHz
100KHz
200KHz
输出幅度/V
3.76
0.86
0.02
附表6椭圆滤波器通频带测试数据
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