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程控滤波器

程控滤波器设计报告

摘要

本系统以STM32F103单片机为核心，由程控放大器，程控滤波器，椭圆滤波器和幅频特性测试仪四部分构成。

可控增益放大器以AD603实现，单片机通过D/A转换控制电压调节放大电路的增益，最大能放大60db，倍数可调，采用高精度的电阻匹配，使其具有更好的精度。

程控滤波电路采用单片机控制CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器MAX262改变参数，使截止频率从1kHZ到10khz可调，具有很高的精度，可达到1%。

本系统还完成了简易的幅频检测装置，能对目标系统进行一定精度下的幅频检测，并输出波形。

从数据显示来看，本系统能执行可控放大、滤波及幅频检测等任务，表现出极高的稳定性和可靠性,本系统完成了所有基本功能和绝大部分发挥部分。

关键字 开关电容滤波 max262 程控放大AD603

1、方案论证与比较

1、题目要求

本作品要求设计并制作一个程控滤波器。

经过设计分析，本设计分为放大器模块、滤波器模块、人机交互模块。

2、方案比较

（1）程控放大器的设计

方案一：

采用固定增益运算放大器，通过继电器或模拟开关进行多路的切换，从而达到增益可以程控的要求。

此方案的优点是电路明了，易于控制；缺点是增益不能任意的改变，要满足题目要求需要做多路放大器，是电路规模变大以致控制比较复杂，而且易受到干扰，使误差变大。

方案二：

采用可控增益放大器AD603来实现，AD603是一种低噪声且有电压控制增益的放大器，它的增益和控制电压成db线性关系，易于控制放大器增益。

为满足发挥部分电压60db增益，增益10db步进可调的要求，我们采用两片AD603级联的方式，是增益在-20~60db的增益，可以满足要求。

而且电路形式简单，控制也较容易。

因此我们采用此方案。

（2）程控滤波器的设计

滤波器设计有很多种，但主要分为数字滤波电路和模拟滤波电路。

方案一：

采用FIR数字滤波器。

数字滤波器解决了模拟滤波器所无法克服的电压漂移，温度漂移和噪声等问题，但由于计算量过大，且由于未系统学习过FIR，故不选用。

方案二：

采用有源RC滤波电路，使用数字电位器控制电阻值，从而可以改变电路的滤波特性。

特点电路简单灵活，缺点是精度不够。

方案三：

采用专门的开关电容滤波集成芯片。

MAX262是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器由微处理器精确控制滤波函数可构成各种带通低通高通陷和全通配置且不需外部器件，功能强大，易于掌控。

故我们选用此种方案。

（3）椭圆滤波器方案

方案一：

采用普通的运放实现。

实现四阶椭圆低通滤波器可以通过级联两级低通带阻滤波器实现。

该方案的方法虽然是我们熟悉的滤波器电路，但是实现起来电路还是较为繁琐，不能够的快速实现要求。

方案二：

采用分立元件实现，电路简单易于控制，并且能够快速实现四阶椭圆低通滤波器。

因此我们选用此方案。

（4）幅频特性电路的设计

方案一：

幅频特性是指幅度随频率的变化的关系；主要原理是控制扫描信号的频率变化，检测出幅度的变化；对于幅度的检测，传统方案是使用AD,将检测的数据传入控制器，由控制器对数据进行处理，然后DA输出。

此种方案复杂，繁琐，精确度不高。

方案二：

采用检测真有效值芯片AD637可以检测交流信号的真有效值具有高精确度，总误差小于0.25%。

方案三：

采用AD采样前置电路，把信号转换为AD采样所需的信号，再用FFT算法分析信号，最后显示频谱图。

这种方法精度较高，误差较小，故采用此方案。

二、系统设计

1、系统整体框图

根据题目要求，本系统设计包括四大部分：

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。

系统结构如图1、图2所示。

图1 程控滤波器模块框图

图2 幅频测试仪框图

2、模块设计

（1）程控放大器模块

考虑AD603输入电阻R=50?

，前级用op07连接成跟随器进行隔离。

由AD603的原理可知，当设计通频带为90MHz，增益为-10~30db，输入控制电压为-0.5~+0.5v。

增益和控制电压的关系为

=40U+10。

一级放大增益为40db，根据要求使用两级串联，增益为

=40

+40

+20，增益范围为-20db~+60db，由于AD603的输出有效值小于2V，本设计中我们采用参考电压为1V，使两级串联AD603的增益范围为-20db~40db，在后级接入一个20db的固定增益OPA2227运放，实现程控的放大器的0~60db增益，并以10db步进可调。

电路如图2所示。

图3程控滤波器电路原理图

（2）程控滤波器模块

滤波器电路设计采用MAX262，MAX262可以通过编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，且滤波的特性参数如中心频率、品质因数等，可通过编程进行设置，电路的外围器件也少。

可控制64个不同的中心频率f0、128个不同的品质因数Q及4种工作模式；对中心频率，f0和品质因数Q可独立编程；时钟频率与中心频率比值（fclk/f0）可达到1%（A级）；中心频率f0的范围为75kHz。

低通电路如图3，高通电路如图4所示。

图4低通滤波器电路原理图

图5高通滤波器电路原理图

（3）椭圆滤波器模块 

系统要求制作一个4阶椭圆低通滤波器，带内起伏<=1dB，-3dB通带为50kHz，采用无源LC椭圆滤波器来实现。

通过查《电子滤波器设计手册》上查表得C1=1.204F，C2=0.06944F，L1=1.213H，C3=1.886F，L2=0.8473H。

电路如图5所示。

图6椭圆低通滤波器电路原理图

3、系统软件设计

系统软件设计主要有三个部分：

放大器的增益设置、滤波器模式、截止频率的控制。

流程图如图6所示。

图7 程序流程图

图8AD9850程序流程图

四、系统测试与分析

1、放大器测试

测试方法：

放大器输入端输入峰峰值为20mV的正弦信号，将放大器增益设置为40db，从100Hz开始增大输入信号的频率，用示波器测试放大器的通频带。

然后将输入信号的频率固定为10KHz，预置放大器增益观察其实际增益，计算增益误差，检验增益步进。

测试结果如表1所示

表1 测试结果

预置增益

实测电压（有效值）

相对误差

波形失真情况

20db

70.6mv

0.14%

无明显失真

40db

713mv

0.8%

无明显失真

60db

7160mv

1.2%

无明显失真

2、滤波器测试

测试方法：

将放大器增益设置为40db，滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器的截止频率，用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2

处的电压总增益。

高通滤波器的测试方法同上。

椭圆滤波器的测试，将放大器的增益设置为40db，用示波器测试其通带起伏，-3db截止频率和200kHz的总电压增益。

测试结果如表2、表3、表4

表2低通滤波器测试结果

预置截止频率/KHz

实测截止频率/kHz

相对误差/%

2

处的电压总增益

1

1.01

1%

15mv

10

10.02

0.2%

12mv

20

20.04

0.2%

22mv

表3高通滤波器测试结果

预置截止频率/KHz

实测截止频率/kHz

相对误差/%

/2处的电压总增益

1

1.004

0.4%

23mv

10

10.010

0.1%

27mv

20

19.800

1%

24mv

表4椭圆低通滤波器测试结果

频率/khz

0.1

1

3

5

7

9

11

13

15

Vp-p/v

1.80

1.72

1.70

1.70

1.70

1.70

1.72

1.72

1.72

频率/khz

17

19

21

23

25

27

29

31

33

Vp-p/v

1.72

1.72

1.72

1.72

1.70

1.68

1.68

1.64

1.64

频率/khz

35

37

39

41

43

45

47

49

51

Vp-p/v

1.62

1.62

1.60

1.56

1.56

1.54

1.50

1.41

1.40

频率/khz

52

53

54

55

56

60

100

150

200

Vp-p/v

1.21

0.976

0.92

0.856

0.816

0.672

0.128

0.016

0.016

5、参考文献

[1]于凤琴，程正务，侯宁，孔军.信号与系统.北京：

电子工业出版社，2008.3

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：

高等教育出版社，2006.5

[3]郭永彩，庞飞宇，林小刚.数字信号处理.重庆：

重庆大学出版社.2009.8

[4]肖广兵.ARM嵌入式开发实例.北京：

电子工业出版社.2013.4

[5]宋家友，张友汉.新编电子线路设计使用手册.福州：

福建科学技术出版社.2007.6

[6]孙余凯，项绮明，吴名山.电子元器件检测选用代换手册.北京：

电子工业出版社，2007.5