程控滤波器设计.docx

1、程控滤波器设计 程控滤波器第35组 曾攀 谢桂辉 赵碧杉 摘要：本系统基于开关电容滤波器的原理，以单片机和FPGA为控制核心，实现了程控滤波器的设计。系统前级放大器由精密仪表放大器和数字电位器组成，可以设置60dB的增益调节范围，步进10dB，通带到370KHz，增益误差3%以内。滤波器以集成开关电容可编程滤波器MAX263实现高通滤波器，MAX297实现低通滤波器，截止频率在1k到20k可调，步进为1kHz。本系统还完成了四阶无源椭圆低通滤波器的设计，扩展了带通滤波器的程控功能，以DDS扫频电路实现幅频特性的测试。系统性能达到指标要求，工作可靠，界面友好。关键字：开关电容滤波器 椭圆低通滤波

2、器 程控滤波目录摘要 1目录 2一、方案论证与选择 31题目任务要求及相关指标的分析 32方案的比较与选择 3（1）放大器的论证与选择 3（2）程控滤波器的论证与选择 4（3）椭圆低通滤波器的论证与选择 4（4）扫频信号源的论证与选择 4（5）幅度测量的论证与选择 5二、系统总体设计方案及实现方框图 5三、理论分析与计算 61、可变增益放大器的理论分析 62、开关电容滤波器的理论分析 6（1）开关电容滤波器 6（2）低通滤波器 7（3）高通滤波器 73、椭圆低通滤波器的理论分析 7四、主要功能电路的设计 81、放大器电路 82、低通滤波器电路 103、高通滤波器电路 104、四阶椭圆低通滤波器

3、电路 115、有效值测量电路 116、A/D转换电路 137、DDS输出D/A转换电路 138、幅频特性显示D/A转换电路 14五、系统软件的设计 151软件总体介绍 152程序流程图 15六、测试数据与分析 151使用仪器及型号 152测试方案（法） 163测量数据 164数据分析 17七、总结分析与结论 17八、参考文献 17附录 17一、方案论证与选择1、题目任务要求及相关指标分析 题目要求设计并制作程控滤波器，放大器增益可设置，低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。其参考原理框图如图1所示。 题目要求放大器输入正弦信号电压振幅10mV，电压增益60dB，10dB步进可调，电压增益

4、误差不大于5%。滤波器可设置成低通或高通滤波器，-3dB截止频率在1k-20kHz范围内可调，步进1kHz。低通滤波器在2fc，高通滤波器在0.5fc处总电压增益不大于30dB。制作四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏1dB，-3dB通带为50kHz，要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB，-3dB通带误差不大于5%。制作一个简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号的频率变化范围是100Hz200kHz，频率步进10kHz。经分析，本系统的设计主要分以下部分：可变增益放大器，高通滤波器，低通滤波器，四阶椭圆低通滤波器，有效值检波。难点在于放大器增益误差1V（RMS）时频率上限高达8M

5、Hz。电源电压范围很宽，正负3正负18V供电。随供电电压的不同，最大输出电压也相应改变，一般是输出电压最大值比供电电源电压小1V左右。AD637内部结构包括有源整流器(即绝对值电路)、平方/除法器、滤波放大器、独立的缓冲放大器(缓冲放大器既可以作为输入缓冲用，也可以构成有源滤波器来滤除纹波，提高测量准确度)、偏置电路五部分。图9 AD637芯片原理图 其中13脚为信号输入端，14脚为有效值直流输出端。本系统中为进一步提高测量准确度，需利用外部调整元件来减小有源整流器的非线性误差。缓冲放大器其提高输出端负载能力作用，可视实际情况决定是否用它。用时，将9脚接1脚，由14脚输出有效值直流电压。本系统

6、中无需使用，故将1脚接地。7脚是dB信号输出端，通过适当的连接，可在7脚上得到正比与输入电压有效值对数的电压信号。唯一的外围元件是平均电容Cav，用它设定平均时间常数，并决定低频准确度、输出波纹的大小和稳定时间。交流波纹分量可以用增大平均电容的值来较少，但这样会使建立时间增大。故减少波纹的最好方法是采用后置滤波网络。图10 AD637电路图6、A/D转换电路 有效值检波后，用MAX1270进行A/D转换。 MAX1270是8通道、多量程双极性输入、串行输入、逐次逼近型12位AD转换器。单电源+5V供电，采样速率110kbps，写入控制字可实现时钟模式、通道选择、输入范围（正负10V，0+10V

7、，正负5V，0+5V）的选择。芯片提供内部基准源4.096V。图11 MAX1270电路图7、DDS输出D/A转换电路 DAC908是8位高性能数模转换器，具有165MSPS的输出更新速率。工作电压为+2.7V到+5.5V，提供1.24V内部参考源。图12 DAC908电路图8、幅频特性显示D/A转换电路 图13 DAC0800电路图5、系统软件的设计1软件总体介绍系统的软件部分遵循结构化和层次化的设计原则，由一个主程序及若干子程序构成。其中子程序主要完成（1）放大器增益设置（2）滤波器参数设置，改变时钟频率设置截止频率（3）幅频特性测试，产生DDS的频率控制字控制频率步进（4）人机交互。主程

8、序则通过调用子程序来对它们之间的时序进行控制，从而使整个程序得以有条不紊地运行。2程序流程图程序以按键中断为主线，以各项功能作为分支，详细流程图如下：图14 程序流程图6、测试数据及分析1、使用仪器及型号清华同方计算机：奔腾四CPU+1G内存+WindowsXP操作系统直流稳压稳流电源：型号SG1733SB3A60M数字存储示波器：型号Tektronix TDS1002数字信号源：型号Agilent 33120A万用表：型号MF47F2、测试方案 本系统需要测试的数据主要是放大器的电压增益和滤波器-3dB的截止频率。（1）放大器测试方法： 放大器输入端输入峰值为10mV的正弦信号，将放大器增益

9、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分别固定为100Hz、1kHz、40kHz，预置放大器增益，用低频毫伏表测试其实际增益，计算增益误差，并检验增益步进。（2）滤波器测试方法： 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，用低频毫伏表和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，用示波器测量其通带起伏，-3dB截止频率和200KHz的总电压增益。3、测量数据及分析（1）放大器增益的测试结果表输入信

10、号频率100Hz预置增益（dB）102030405060实际增益（dB）10.21120.17229.93939.91349.88359.824 相对误差2.11%0.86%0.2%0.22%0.23%0.29%40kHz预置增益（dB）102030405060实际增益（dB）10.23820.34130.04940.08650.10360.086 相对误差2.38%1.7%0.16%0.22%0.21%0.14% 放大器的通频带为： 0370kHz。放大器增益误差远小于5%，满足题目要求。（2）低通滤波器截止频率的测试数据结果预置值（kHz）1 10202fc处电压总增益几乎为0实测值（kH

11、z）11020.01相对误差000.5%满足题目2fc处电压总增益小于30dB要求。（3）高通滤波器截止频率的测试数据结果预置值（kHz）1 1020实测值（kHz）11020.01相对误差000.5%2fc处电压总增益29.25dB28.43dB28.30dB满足题目0.5fc处电压总增益小于30dB要求。（4）椭圆滤波器截止频率的测试数据结果频率100Hz1KHz5KHz10KHzVp-p1.83V1.84V1.88V1.86V20KHz30KHz40KHz50KHz200KHz1.88V1.88V1.81V1.50V24mV椭圆滤波器通带起伏：PRW=20log（1.88/1.83）dB

12、= 0.234dB，-3dB截止频率为50.2KHz，在200KHz的电压总增益为1.58dB，满足题目要求。4、数据误差分析 本系统引入误差的因素主要有以下几个：放大器的非线性误差，开关电容滤波器引入的偏差。但是这些误差都在允许范围内。七、总结分析与结论 本系统较好的完成了题目基本部分及发挥部分的所有要求，系统整体性能良好。此外，系统对题目的各项指标都做了进一步的延拓，增大了放大器的增益调节范围，扩宽了滤波器的可调截止频率范围，还拓展了带通滤波器的设置。本系统还存在的不足：（1）高通滤波器输出波形在通频带有点上扬，波形有些失真。（2）放大器输出波形在幅值增益较小时有些失真。（3）电路板布线未

13、处理好，因开关电容滤波器和数字电位器引入的噪声较大，地线电源线的干扰比较严重。 八、参考文献1李朝青.单片机原理及接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1999年3月2谢自美.电子线路设计实验测试(第2版).湖北:华中科技大学出版社.2000年7月3美阿瑟B威廉斯.电子滤波设计手册.北京：电子工业出版社.1986年2月4谢自美.电子线路综合设计.湖北：华中科技大学出版社.2006年附录：参考方案： 这里有一个比较新颖的用双D/A实现可变滤波器的方案。 我们最先选用两片Ti公司的双DA芯片TLC7528，通过外接有源滤波器分立元件实现低通、高通、带通的输出，Q值设置范围为0.34.5，但截止频率设置范围为015kHz。其中C1=C2,R1=R2,R4=R5.=0.707. 所以DACB1设置为121. 所以 DACA1设置为。