14组程控滤波器.docx

1、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060dB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1kHz20kHz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 M

2、AX266 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67V，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

3、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

4、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

5、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060dB（即11000倍），即输出端的电压峰峰值为20mV20V。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

6、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12.35K。选定后级放大为2倍，则程控放大模块放大倍数为1/2050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，

7、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

8、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F0F5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3-1 MAX266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

9、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（1.010.01）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

10、500，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

11、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）0102030405060输出峰峰值19.0mv61.8mv205.0mv640.5mv1.98v6.32v20.0v实际增益（dB）-0.49.8020.230.139.949.960相对误差（%）210.30.250.20 b） 程控滤波器部分测试 在负载为1K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

12、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）1234567实测-3dB频率（KHz）0.971.922.923.94.845.846.84相对频率误差（%）3.04.02.72.53.22.72.32fc处增益（dB）27.727.727.727.727.727.827.9预设-3dB频率（KHz）891011121314实测-3dB频率（KHz）7.848.99.910.8711.912.914.0相对频率误差（%）2.00.10.11.20.80.802fc处增益（dB）27.827.828.128.128.028.027.8预设-3dB

13、频率（KHz）151617181920实测-3dB频率（KHz）15.316.617.718.920.121.5相对频率误差（%）23.74.15.05.77.52fc处增益（dB）27.928.128.028.028.128.3 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

14、3。 表3 椭圆滤波幅频特性测试数据频率（KHz）10010K20K30K40K50K60K峰峰值（V）1.941.881.901.861.801.400.95频率（KHz）70K80K90K100K110K120K130K峰峰值（V）0.600.400.310.240.200.180.15频率（KHz）140K150K160K170K180K190K200K峰峰值（mV）160130100604040302、测试数据分析 由数据表可看出程控放大部分增益060dB，相对误差在5%以内；RL为1K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

15、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F的电解电容和0.010.1F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

16、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，20078、附录(1)电路图及波形图 图8-1 T型电阻衰减网络 图8-2 AD620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8-6 AD9851电路 图8-7 AGC电路 图8-8 AD637真有效值检波电路 图8-9 MAX197电路 图8-10 椭圆滤波器仿真图

17、(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）1234567实测-3dB频率（KHz）1234566.8相对频率误差（%）0000002.80.5fc处增益（dB）29.829.328.628.928.329.328.2预设-3dB频率（KHz）891011121314实测-3dB频率（KHz）7.98.99.910.811.812.713.7相对频率误差（%）1.21.11.01.81.72.32.10.5fc处增益（dB）30.230.932.032.130.131.029.9预设-3dB频率（KHz）151617181920实测-3dB频率（KHz）14.

18、615.616.417.31819.0相对频率误差（%）2.72.53.53.95.250.5fc处增益（dB）31.131.032.031.831.132.1 表5 程控滤波器测试数据（带通）预设-3dB频率（KHz）1234567实测-3dB频率（KHz）1.0123.04.0155.986.89相对频率误差（%）1000.500.31.5预设-3dB频率（KHz）891011121314实测-3dB频率（KHz）7.878.879.8610.912.213.113.7相对频率误差（%）1.61.41.41.31.70.82.1预设-3dB频率（KHz）151617181920实测-3dB

19、频率（KHz）15.616.317.518.419.821.0相对频率误差（%）41.92.92.24.25.0 表6 椭圆滤波器测试数据频率（Hz）1005001K1.5K2K3K4K5K6K输出峰峰值（V）1.881.901.901.901.881.901.881.901.88频率（Hz）7K8K9K10K11K12K13K14K15K输出峰峰值（V）1.881.881.881.861.861.861.861.861.86频率（Hz）16K17K18K19K20K21K22K23K24K输出峰峰值（V）1.861.861.861.861.861.861.881.881.90频率（Hz）25K26K27K28K29K30K31K32K33K输出峰峰值（V）1.901.881.881.881.901.921.901.921.90频率（Hz）34K35K36K37K38K39K40K41K42K输出峰峰值（V）1.921.921.901.901.901.881.881.861.82频率（Hz）4344454647K48K49K50K51K输出峰峰值（V）1.741.721.701.641.601.541.501.421.38频率（Hz）5253输出峰峰值（V）1.321.28