程控滤波器研发设计方案比较分析.docx
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程控滤波器研发设计方案比较分析
1程控滤波器设计方案比较分析
1．1滤波器的设计
方案1：
传统分立元件组成的无源滤波器存在诸如带内不平坦、频带范围窄且恒定、结构复杂等缺点。
方案2：
运算放大器构成的有源滤波器设计简单，但存在截止频率调节范围的局限性，难以实现高精度截止频率调节。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
方案3：
引脚可编程的开关电容滤波器MAX264。
该器件内部集成了滤波器所需的电阻、电容，无需外接器件，且其中心频率、Q值及工作模式都可通过引脚编程设置进行控制。
MAX264可工作于带通、低通、高通、带陷或是全通模式下，其通带截止频率可达140kHz。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
综上所述，故系统的滤波器设计选用方案3。
1．2放大器的设计
方案1：
采用普通宽带运算放大器构成放大电路，分立元件构成AGC控制电路，利用包络检波反馈至放大器的方法控制放大倍数。
采用场效应管作为AGC控制可实现高频率和低噪声，但温度、电源等漂移将引起分压比变化，采用这种设计方案难以实现残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
系统增益的精确控制和稳定性。
方案2：
采用可编程放大器的思想，将交流输入信号作为高速D／A转换器的基准电压，该D／A转换器可视为一个程控衰减器。
理论上讲，只要D／A转换器的速度够快、精度够高就可实现宽范围的精密增益调节。
但控制的数字量和最后的增益（dB）不是线性关系而是指数关系，导致增益调节不均匀，精度降低。
酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
方案3：
采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA实现增益控制。
电压控制增益便于单片机控制，同时可减少噪声和干扰。
采用可变增益放大器AD603作为增益控制。
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，其增益与控制电压成线性关系，因此便于使用D／A转换器输出电压控制放大器增益。
彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
综上所述，故系统的放大器设计选用方案3。
2程控滤波器设计
程控滤波器主要由程控放大器、滤波器和信号采集等模块组成，如图1所示。
幅频特性测试仪主要由扫频源、信号采集、示波器显示等电路组成。
其工作原理：
输入信号经衰减网络衰减至10mV，单片机设置放大器和滤波器的参数，选择相应的滤波器，单片机和FPGA控制AD9851产生正弦输出信号，再经滤波、AGC后得到扫频输出信号，单片机和FPGA共同控制D／A转换器输出幅频特性曲线在示波器上显示。
謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
3理论分析与计算
3．1程控放大器
AD603的基本增益为：
Gain（dB）：
40VG+10
（1）
其中，VG是差分输入电压，单位是V，Gain是AD603的基本增益，单位是dB。
由式1看出，以dB作单位的对数增益与电压成线性关系。
由此，单片机通过简单的线性计算就可控制对数增益，从而准确实现增益步进。
厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
3．2程控滤波器
编程设置MAX264的M0、M1引脚使其工作在模式1、2、3、4多种模式下，但只有模式3具有高通滤波功能,因而本系统设计采用模式3实现低通和高通滤波功能。
茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
模式3下的输入时钟与中心频率的关系（以下仅以低通滤波器作为分析，高通滤波器类似）为：
fCLK/f0=π（N+13）
（2）
其中，fCLK为输入时钟频率，fo为滤波器中心频率,N由外部输入。
fo与截止频率fc的关系：
其中，Q为滤波器的品质因数。
因此fCLK与fc具有函数关系，可通过设置fCLK实现fc的设置。
取Q=0．707fCLK/f=π（N+13），实现fc的设置。
鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
3．3椭圆低通滤波器
椭圆函数滤波器的衰减特性为：
AdB=101g[1+ε2Z2n（Ω）] （4）
其中，ε由波纹确定，Zn（Ω）为n阶的椭圆函数，对于偶数n阶的椭圆函数，其极点和零点表示为：
其中,m=n／2。
所以对于4阶的椭圆函数滤波器,阻带和通带内波纹相等，而且阻带内的陷波点数为1。
因此椭圆滤波器在通带和阻带内特性允许起伏,并具有最佳截止特性，但对元件数值要求特别严格。
籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
根据选用RdB=0．5dB,Amin=70dB,Ωs=3．91查归一化图表得C1=1．226F，C2=0．04380F,L2=1．241H，C3=1．904F,L4=0．8459H,用Z=510Ω和频率标定系数FSFT=2πfc（fc截止频率，即50kHz）对滤波器去归一化,C′=C／（FSF×Z），L′=L×Z／FSF，得出参数后采用Multisim仿真调整参数，并且设计相关电路测试得出如下参数：
C1=6．8nF，C2=39pF，L2=2．2mH+220μH=2．42mH，C3=10nF，L4=1mH+620mH=1．62mH。
其椭圆滤波器电路如图2所示。
預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
4硬件电路设计
4．1程控放大电路
该电路采用两片AD603级联实现可控增益范围为0dB～60dB。
AD603单片增益范围为10dB~30dB,输入控制电压范围为0V～l1。
其中，一级AD603电路图如图3所示。
由于AD603的输入阻抗仅100Ω，要满足系统电阻要求，必须增加输入缓冲来提高输入阻抗。
另外由于前级电路影响电路噪声，须尽量减少噪声，故采用一级仪表运算放大器AD620构成的放大电路作为前级小信号放大器。
渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
4．2低通和高通滤波器电路
系统设计采用引脚可编程滤波器MAX264实现低通或高通滤波器，如图4所示（衰减放大网络略）。
电路设计采用单极性输入模式，其输入电压范围0V~5V，调理电路应将信号调理至其输入范围。
调理过程：
信号首先经过衰减网络使其峰-峰值为-2．5V~+2．5V，再由加法器将信号调节为0V～5V,滤波后，减法器将信号变为-2．5V～+2．5V,放大网络补偿平衡衰减，最后输出至有效值来转换电路。
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4．3幅频特性测试电路
幅频特性测试电路主要是由DDSAD9851与AGC构成的扫频源、有效值转换,以及12-bitADCMAXl97采样电路和DAC0800构成的显示电路组成。
擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
5系统软件设计
系统软件设计采用软件工程设计思想，主要实现人机界面的交互，包括提示信息显示、系统状态选择、参数输入、输入参数显示、系统启动与复位。
软件设计系统程序流程图如图5所示。
贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
6测试结果
系统设置为放大器电压增益范围测试模式，在放大器电压增益测试端口利用TektronixTDS1002型数字示波器观察其输出信号在不失真的情况下，测量其输出幅度，满足系统要求。
坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
系统分别设定为低通滤波器和高通滤波器测试模式，在放大器电压增益测试端口以及滤波器输出端口中利用Tektronix蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
TDS1002型数字示波器观察其输出信号在不失真的情况下，测量截止频率处及2倍截止频率处其输出幅度，各参数满足系统要求。
買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
系统设定为椭圆滤波器测试模式，在滤波器输入端口和滤波器输出端口采用数字示波器观察其输出信号在不失真的情况下，测量其通带内和截止频率处输出幅度。
綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
滤波器输入幅值为1V时通带内最大输出幅值为1．10V，增益为0．828dB，满足带内起伏≤1dB的要求。
-3dB截止频率为52kHz，满足-3dB通带误差不大于5%的要求。
驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
用管脚可编程滤波器件MAX264设计通用有源滤波器
TheDesignofUniversalFilterwithPinProgrammableFilterMAX264猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
■国防科技大学张成鹤王平郑林华
引言
软件无线电技术目前已被广泛采用，具有软件无线电结构及其功能的系统是一个高度数字化，高度可编程，用软件实现并可扩充其功能的一种通信系统，它的中心思想就是构建一个通用化的硬件平台，根据不同要求，只需升级或改变控制程序就可完成多种功能。
而滤波器作为抑制或消除无用信号成分通过有用信号成分的电子装置，已大量应用于各类电路系统中，传统的分立元件组成的无源滤波器或是用运放构成的有源滤波器总是存在诸如带内不够平坦、频带范围窄且固定不变、结构复杂等缺点。
随着软件无线电技术在电路系统设计中的广泛应用，寻找一种高精度可编程控制的通用滤波器已变的越来越重要。
MAX364就能较好地满足这一需要。
MAX264的结构及性能
MAX264的结构
MAX264的结构主要由两个独立的滤波单元、分频单元、fo逻辑单元、Q逻辑单元及模式设置单元等电路组成。
主要特性描述如下：
●滤波器设计软件化
●中心频率32阶可控
●Q值128阶可控
●Q值与fo独立可编程
●Fo可达140kHz
●支持+5V和5V两种供电方式
MAX264的引脚说明
MAX264芯片诸引脚功能如下（括号内数字为引脚号）：
V+（10）：
供电正极，并接旁路电容尽量靠近该脚；
V-（18）:
供电负极，并接旁路电容尽量靠近该脚；
GND（19）:
模拟地；
CLKA（13）:
A单元时钟输入，该时钟在芯片内部被二分频；
CLKB（14）:
B单元时钟输入，该时钟在芯片内部被二分频；
OSCOUT（20）:
连至晶体，组成晶振电路（若接时钟信号时，该脚不连）；
INA,INB（5,1）:
滤波器输入；
BPA,BPB（3,27）:
带通输出；
LPA,LPB（2,28）:
低通输出；
HPA,HPB（4,26）:
高通/带陷/全通输出;
M0,M1（8,7）:
模式选择,+5V高，-5V低；
F0-F4（24,17,23,12,11）:
时钟与中心频率比值（FCLK/f0）编程端；
Q0-Q6（15,16,21,22,25,6,9）:
Q编程端。
MAX264原理及设计
对M0、M1两个管脚编程可使芯片工作于模式1、2、3、4几种方式，对应的功能如表1所示，时钟与中心频率比值与编码对应。
模式1：
当我们要实现全极点低通或带通滤波器（如：
切比雪夫、巴特沃斯滤波器）时这种模式是很有用的，有时该模式也用来实现带陷滤波器，但由于相关零极点位置固定，使得用作带陷时受到限制。
模式2：
模式2用于实现全极点低通和带通滤波器，与模式1相比该模式的优点就是提高了Q值而降低了输出噪声，该模式下fclk/fo是模式1的{1}\over{\sqrt{2}}，这样就延宽了截止频率。
模式3：
只有该模式下可实现高通滤波器，该模式下最高时钟频率低于模式1.
模式4:
只有该模式下才可以实现全通滤波器。
在设计中，首先根据所需的频率响应特性，确定出品质因数（Q）及截止频率，由Q值进而确定出N值：
Q=64/（128-N）模式1，3，4时;
Q=90.51/（128-N）模式2时；
也可以由Q值查表3得出N.得到N后，进而可以求出fclk/fo值：
fclk/fo=（N+13）模式1，3，4时；
fclk/fo=（N+13）/\sqrt{2}模式2时；
因为时钟频率fclk是已知的，所以即可求出fo。
由低通、带通、高通时通带示意图，几种情形下的参数对应式如下：
低通时：
f_{c}=f_{0}\sqrt{（1-{1}\over{2Q^{2}}）+\sqrt{（1-{1}\over{2Q^{2}}）^{2}+1}
Q0-Q6（15,16,21,22,25,6,9）:
Q编程端;
f_{p}=f_{o}\sqrt{1-{1}\over{2}Q}
H_{op}=H_{olp}{1}\over{{1}\over{Q}\sqrt{（1-{1}\over{4Q^{2}}）}锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
带通时
Q={f_{0}}\over{（f_{H}-f_{L}）}，f_{0}=\sqrt{f_{L}f_{H}}
f_{L}=f_{0}[{-1}\over{2Q}+\sqrt{{1}\over{4Q^{2}}+1}]}
f_{H}=f_{0}[{1}\over{2Q}+\sqrt{（{1}\over{2Q}）^{2}}+1]]}
高通时
f_{c}=f_{0}[\sqrt{（1-{1}\over{2Q^{2}}）+\sqrt{（1-{1}\over{2Q^{2}}）+1}}]^{-1}
f_{P}=f_{0}[\sqrt{1-{1}\over{2Q^{2}}}^{-1}
H_{op}=H_{OHP}{1}\over{{1}\over{Q}\sqrt{1-{1}\over{4Q^{2}}}}
实现通用滤波器
随着软件无线电思想在电路系统设计中广泛应用，原来的那种固定频带和固定模式的滤波器已不能满足需要，以下就是我们在实际工程中实现的一种由DSP控制下，以MAX264为核心的通用有源滤波器如我们采用了5V供电，为了获得更好的带内特性，将LPA，BPA，HPA经过受DSP控制的模拟开关MAX333接至INB管脚，以实现级联滤波，当然也可以由软件控制MAX333为关断方式而使其为单级方式，由于DSP输出为3V标准，而MAX333，MAX312，MAX4624为5V标准，在实际工程应用中，为保证器件安全，MAX333到DSP间接有电平转换芯片（因与滤波器关系不大，故未画出），另外DSP与MAX333，MAX312及MAX4624间的锁存器件也未画出。
M0和M1的高电平为+5V而其低电平为-5V，所以模式的选择是由DSP控制模拟开关MAX312来实现的。
構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
应用MAX264设计程控滤波器
滤波器,程控,应用,设计輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
一、引言
该题目为我院电子技术应用研究课题，该课题在评审中获得一等奖。
二、方案选择
1.可调增益放大器部分
选用集成运放构成比例运算电路，这里对运放的增益带宽积有一定的要求。
根据增益带宽积为常数的原理，可先确定单位增益带宽，选择出运放。
再根据增益的步进值定出各个反馈电阻的值，利用模拟开关选通各个电阻，从而实现增益的步进可调。
2.程控滤波器部分
采用集成芯片MAX264构成滤波器。
这种滤波器可通过选择工作模式实现低通、高通、带通三种滤波方式。
其低通、高通截止频率可通过编程设置，低通截止频率可高达140kHz,但这种滤波器需要根据参数确定时钟频率，且传输函数较为烦琐，可通过编软件进行模拟实现。
该集成器件有些引脚需要正负5伏供电，所以需要电平转换电路。
本系统软件编程较为简单，硬件不太复杂。
三、系统设计
系统结构如图1所示。
四、理论分析与计算
1.放大器增益
放大器部分采用AD620、模拟开关和精密可调电阻构成
根据公式：
Rg=49.4K/（G-1）
即：
G=49.4K/Rg+1
用单片机控制模拟开关的三个输入端以控制所选择的电阻从而达到10db~60db增益可调的目的，且精度较高。
2.滤波器的截止频率
MAX264内集成了设计滤波器所需的电阻电容，在应用中几乎不用外接器件，使用非常简单，其中心频率、Q值及工作模式都可以通过对引脚编程控制，它可以工作于带通、低通、高通、带阻或是全通模式,时钟输入（外接时钟信号或晶振）和5比特编码控制可以精确地设置中心频率及Q值（0.5～64）。
通过减小fclk/f比值，可使其通带截止频率达140kHz。
尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
五、理论分析与计算
1.放大器增益
放大器部分采用AD620、模拟开关和精密可调电阻构成。
根据公式：
Rg=49.4K/（G-1）
即：
G=49.4K/Rg+1
用单片机控制模拟开关的三个输入端以控制所选择的电阻从而达到10dB~60dB增益可调的目的，且精度较高。
2.滤波器的截止频率
MAX264内集成了设计滤波器所需的电阻电容，在应用中几乎不用外接器件，使用非常简单，其中心频率、Q值及工作模式都可以通过对引脚编程控制，它可以工作于带通、低通、高通、带阻或是全通模式,时钟输入（外接时钟信号或晶振）和5比特编码控制可以精确地设置中心频率及Q值（0.5～64）。
通过减小fclk/f比值，可使其通带截止频率达140kHz。
低通滤波模式下由MUX264资料给出：
识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
由上述四个独立变量fc、fclk、N、Q的关系式可知，只要fc、fclk、N、Q确定，则截止频率fc即可确定，所以要满足在1kHz~20kHz范围内可以步进1kHz的要求，即可通过改变MAX264的输入时钟频率fclk,编程设置Q端和F端来实现。
但参数的不同选择要影响到系统中硬件与软件所占比例，其中fclk的变化要由时钟频率变换电路实现,用单片机控制N、F，同时还需要逻辑电平转换电路。
在参数的选择中，尽量发挥软件的灵活性，使硬件电路容易实现。
依据公式，借助计算机计算得到满足要求的各组理论解，我们选择两个时钟输入频率提供给MAX264，再选择N、F来实现截止频率fc在1kHz~20kHz范围内步进1kHz的要求，低通，高通参数选择值列表（见表3、表4）。
3.f=2fc处总增益理论计算
经查MAX264的使用说明，其内部两个独立滤波电路都为二阶，且在其通带内的滤波信号放大增益为0dB，故在放大器增益为40dB时，f=2fc处总增益为：
低通滤波时:
G=40dB-3dB-40（dB/dec）*（2/10）=29dB
所以理论计算满足设计要求。
高通滤波时:
G=40dB-3dB＋40（dB/dec）*（－2/10）=29dB
所以理论计算满足设计要求。
六、单元电路及程序设计
1.放大器
本放大器采用集成运放AD620，见图2。
凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
2.程控滤波器
MAX264可以不加外部元件或加少量外部元件就可以实现低通、高通、带通、陷波器,该芯片的引脚分布见图3。
利用MAXIM公司生产的CMOS开关电容滤波器MAX264设计的锁相跟踪带通滤波器,电路简单,工作可靠,具有很高的实用价值。
MAX264内部含有2个独立的二阶开关电容带通滤波器,它有12个可编程输入端,其中5个用来设置滤波器中心频率,另外7个用来设置滤波器的品质因数Q,因此,不需要外加任何元件，仅需要外部时钟就可以实现带通滤波功能，使用极为方便。
对M0、M1两个引脚编程可使芯片工作于模式1、2、3、4几种方式。
恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
模式1：
当实现全极点低通或带通滤波器（如：
切比雪夫、巴特沃斯滤波器）时这种模式是很有用的，有时该模式也用来实现带阻滤波器，但由于相关零极点位置固定，使得用作带阻时受到限制。
模式3：
只有该模式下可实现高通滤波器，该模式下最高时钟频率低于模式1。
MAX264与单片机接口电路如图4所示。
鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
图4单片机接口电路
3.程序设计流程图
程序流程如图5所示。
七、测试方案与结果分析
1.测试条件
示波器：
YUANLONGoscilloscopeVD422M40MHz.
函数信号发生器：
SNINGsu3015DDS15MHz.
直流稳压电源：
金盾JWY—30G.
万用表：
VICTORvc890c+.
2.测试方案
首先针对放大模块，当输入低频和高频信号时测量放大后的电压值和上下限截止频率，计算放大器增益与通频带是否符合题目要求；然后将每一级放大后的信号送入滤波器，分别设置为低通和高通模式，在截止频率1kHz～20kHz可调的范围内分别测试其总的电压增益和实际截止频率。
3.放大模块测试
输入电压：
10mv，当输入低频信号，信号放大倍数AU与下限频率Fl的关系测量值如表1：
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
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