14组程控滤波器.docx
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14组程控滤波器
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
1、方案比较设计与论证
1.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
1.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。
2.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。
（2）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，须在程控滤波器后加一级可控增益后级放大。
在低通时，放大器增益设为1倍；高通时为2倍。
二者之间通过继电器控制。
2、主要功能电路设计
（1）程控放大部分
a）前级放大：
由于程控放大输入信号峰峰值为20mV，所以加一级电阻衰减网络，见附录图8-1。
放大采用仪表运放AD620实现，其电路图见附录图8-2。
b）程控放大：
程控放大采用模拟开关CD4051和宽带高速运放LM7171实现。
LM7171带宽为200MHz，增益最大为50倍，带宽足够达到要求。
图见附录图8-3。
c）后级放大：
采用运放LM7171实现，图见附录图8-4。
（2）程控滤波部分
a）程控滤波器：
程控滤波器采用MAX266，其中心频率f0256级可调，Q值由电阻设置。
采用双极性供电方式，所以输入时钟都需经极性变换电路转换为双极性信号。
频率控制字F0～F5确定后，只需改变CLK的频率即可控制滤波器的参数了。
其电路图见下图3-1。
图3-1MAX266构成的程控滤波器
b）后级放大：
运放采用LF356，开关用继电器实现。
电路图见附录图8-5。
（3）幅频特性测试仪部分
a）扫频信号源：
AD9851是一款方便易用的高速DDS芯片，内部可以六倍频时钟，频率控制字由式F=FMFC/2N决定,FC是时钟频率。
其电路图见附录图8-6。
b）前级信号处理:
为使AD9851输出波形幅度稳定，同时消除直流分量，须加AGC（自动增益控制）电路，采用可控增益运放AD603实现。
电路图见附录图8-7。
经测试，此AGC输出电压范围大约为峰峰值（1.01±0.01）V。
由于程控放大输入信号峰峰值为20mV，所以经继电器控制加至电阻衰减网络端。
c）真有效值检波：
采用真有效值检波芯片AD637实现，电路见附录图8-8。
d）A/D转换：
采用12位A/D转换器MAX197实现，电路见附录图8-9。
（4）椭圆滤波器
4阶椭圆滤波器采用无源的LC网络构成，设计输入输出阻抗均为500Ω，在输入端加上由运放构成的电压跟随器进行阻抗匹配。
电路图见图3-2。
仿真波形见附
录图8-10。
图3-2椭圆滤波器电路
四、系统软件设计
1．系统软件介绍
系统软件采用模块化和层次化的设计思想。
软件部分主要包括：
键盘接口、显示控制、基本模块部分和功能模块部分。
基本模块部分包括LCD显示初始化、中断初始化、存储器的读写、欢迎界面的显示等基本子程序；功能模块部分包括继电器控制、程控放大控制、程控滤波控制、AD9851控制和数据采集等模块。
2．软件流程图
软件流程图如下图4-1所示。
五、系统测试与数据分析
1、测试方法及测试结果
a）程控放大器部分测试
将信号源的输入信号频率设置为1K，峰峰值设为1V再微调，直到用五位半的数字万用表测AD620的输入电压使得为峰峰之20mv，按键测试程控放大部分后级放大的输出端信号。
记录如表1所示。
图4-1软件流程图
表1程控放大器测试数据
预设增益（dB）
0
10
20
30
40
50
60
输出峰峰值
19.0mv
61.8mv
205.0mv
640.5mv
1.98v
6.32v
20.0v
实际增益（dB）
-0.4
9.80
20.2
30.1
39.9
49.9
60
相对误差（%）
——
2
1
0.3
0.25
0.2
0
b）程控滤波器部分测试
在负载为1KΩ时，将程控放大部分的增益设为40dB，分别将fc设置为表2中的各值，利用毫伏表测对应测其后级放大输出端电压，计算其增益。
同理测试高通和带通，数据分别见附录中表4和表5。
表2程控滤波器测试数据（低通）
预设-3dB频率（KHz）
1
2
3
4
5
6
7
实测-3dB频率（KHz）
0.97
1.92
2.92
3.9
4.84
5.84
6.84
相对频率误差（%）
3.0
4.0
2.7
2.5
3.2
2.7
2.3
2fc处增益（dB）
27.7
27.7
27.7
27.7
27.7
27.8
27.9
预设-3dB频率（KHz）
8
9
10
11
12
13
14
实测-3dB频率（KHz）
7.84
8.9
9.9
10.87
11.9
12.9
14.0
相对频率误差（%）
2.0
0.1
0.1
1.2
0.8
0.8
0
2fc处增益（dB）
27.8
27.8
28.1
28.1
28.0
28.0
27.8
预设-3dB频率（KHz）
15
16
17
18
19
20
实测-3dB频率（KHz）
15.3
16.6
17.7
18.9
20.1
21.5
相对频率误差（%）
2
3.7
4.1
5.0
5.7
7.5
2fc处增益（dB）
27.9
28.1
28.0
28.0
28.1
28.3
c）椭圆滤波器测试
将程控放大部分的增益设为40dB，在多个频率点测试椭圆滤波器的输出端的电压，记录结果见附录中表6。
在200KHz时测得系统增益为
d）幅频特性测试
由于程控滤波的截止频率最大为20KHz，如果步进为10KHz则曲线特征不明显，所以测试椭圆滤波输出端的幅频特性。
将程控放大部分的增益设置为40dB，测试程控滤波器部分后级放大输出端的电压。
记录数据见表3。
表3椭圆滤波幅频特性测试数据
频率（KHz）
100
10K
20K
30K
40K
50K
60K
峰峰值（V）
1.94
1.88
1.90
1.86
1.80
1.40
0.95
频率（KHz）
70K
80K
90K
100K
110K
120K
130K
峰峰值（V）
0.60
0.40
0.31
0.24
0.20
0.18
0.15
频率（KHz）
140K
150K
160K
170K
180K
190K
200K
峰峰值（mV）
160
130
100
60
40
40
30
2、测试数据分析
由数据表可看出程控放大部分增益0~60dB，相对误差在5%以内；RL为1KΩ时程控滤波-3dB频率相对误差在10%以内，2fc处电压总增益不大于30dB。
由表6，可得出椭圆滤波器的带内波动为20log1.92/1.82=0.46dB，-3dB截止频率为52K，截止频率误差为4%。
椭圆滤波幅频特性数据对照表6，可看出测试结果基本一致。
误差分析及抗干扰措施：
通过分析和调试实践，影响测试精度的原因主要有系统不稳定、工频干扰、高频干扰、元件性能不良等。
对系统做以下的改进：
将模拟地与数字地分开接地，用磁珠和电感隔离，最后单点共地；在正、负电源进线与地之间接上几十μF的电解电容和0.01～0.1μF的陶瓷电容相并联以减小电源引线的影响。
继电器单独供电，以免对系统造成干扰。
6、系统总结
经测试，本系统的各项指标均达到甚至超过要求。
此外，系统还增加了可控带通滤波和幅频特性曲线在LCD上显示的功能。
七、参考文献
【1】马忠梅（主编）．单片机的C语言应用程序设计（第三版）．北京：
北京航空航天大学出版社，2004
【2】谢自美（主编）．电子线路设计·实验·测试（第二版）．武汉：
华中科技大学出版社，2000
【3】王昊，李昕．集成运放应用电路设计360例．北京：
电子工业出版社，2007
8、附录
（1）电路图及波形图
图8-1T型电阻衰减网络
图8-2AD620前级放大电路
图8-3程控放大电路
图8-4程控部分后级放大电路
图8-5滤波器后级放大电路
图8-6AD9851电路
图8-7AGC电路
图8-8AD637真有效值检波电路
图8-9MAX197电路
图8-10椭圆滤波器仿真图
（2）测试数据表格
表4程控滤波器测试数据（高通）
预设-3dB频率（KHz）
1
2
3
4
5
6
7
实测-3dB频率（KHz）
1
2
3
4
5
6
6.8
相对频率误差（%）
0
0
0
0
0
0
2.8
0.5fc处增益（dB）
29.8
29.3
28.6
28.9
28.3
29.3
28.2
预设-3dB频率（KHz）
8
9
10
11
12
13
14
实测-3dB频率（KHz）
7.9
8.9
9.9
10.8
11.8
12.7
13.7
相对频率误差（%）
1.2
1.1
1.0
1.8
1.7
2.3
2.1
0.5fc处增益（dB）
30.2
30.9
32.0
32.1
30.1
31.0
29.9
预设-3dB频率（KHz）
15
16
17
18
19
20
实测-3dB频率（KHz）
14.6
15.6
16.4
17.3
18
19.0
相对频率误差（%）
2.7
2.5
3.5
3.9
5.2
5
0.5fc处增益（dB）
31.1
31.0
32.0
31.8
31.1
32.1
表5程控滤波器测试数据（带通）
预设-3dB频率（KHz）
1
2
3
4
5
6
7
实测-3dB频率（KHz）
1.01
2
3.0
4.01
5
5.98
6.89
相对频率误差（%）
1
0
0
0.5
0
0.3
1.5
预设-3dB频率（KHz）
8
9
10
11
12
13
14
实测-3dB频率（KHz）
7.87
8.87
9.86
10.9
12.2
13.1
13.7
相对频率误差（%）
1.6
1.4
1.4
1.3
1.7
0.8
2.1
预设-3dB频率（KHz）
15
16
17
18
19
20
实测-3dB频率（KHz）
15.6
16.3
17.5
18.4
19.8
21.0
相对频率误差（%）
4
1.9
2.9
2.2
4.2
5.0
表6椭圆滤波器测试数据
频率（Hz）
100
500
1K
1.5K
2K
3K
4K
5K
6K
输出峰峰值（V）
1.88
1.90
1.90
1.90
1.88
1.90
1.88
1.90
1.88
频率（Hz）
7K
8K
9K
10K
11K
12K
13K
14K
15K
输出峰峰值（V）
1.88
1.88
1.88
1.86
1.86
1.86
1.86
1.86
1.86
频率（Hz）
16K
17K
18K
19K
20K
21K
22K
23K
24K
输出峰峰值（V）
1.86
1.86
1.86
1.86
1.86
1.86
1.88
1.88
1.90
频率（Hz）
25K
26K
27K
28K
29K
30K
31K
32K
33K
输出峰峰值（V）
1.90
1.88
1.88
1.88
1.90
1.92
1.90
1.92
1.90
频率（Hz）
34K
35K
36K
37K
38K
39K
40K
41K
42K
输出峰峰值（V）
1.92
1.92
1.90
1.90
1.90
1.88
1.88
1.86
1.82
频率（Hz）
43
44
45
46
47K
48K
49K
50K
51K
输出峰峰值（V）
1.74
1.72
1.70
1.64
1.60
1.54
1.50
1.42
1.38
频率（Hz）
52
53
输出峰峰值（V）
1.32
1.28
升级会员 