【導讀】本文提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)小信號程控放大、程控調(diào)整濾波器截止頻率和幅頻特性測試的功能的程控濾波器。本次設計以單片機和可編程邏輯器件為核心，放大模塊采用可變增益放大器，是消除干擾雜訊的必備器件。在信號處理、抗干擾處理、抗混疊處理中都可以被廣泛應用。
該系統(tǒng)的最大特點在于其濾波模式可以程控選擇，且-3 dB截止頻率程控可調(diào)，相當于一個集多功能于一體的濾波器，將有更好的應用前景。此外，系統(tǒng)具有幅頻特性測試的功能，并通過示波器顯示頻譜特性，可直觀地反應濾波效果。放大模塊由可變增益放大器AD603實現(xiàn)，最大增益60dB，10dB步進可調(diào)，增益誤差小于1%。程控濾波模塊由MAX297低通濾波、TLC1068高通濾波及橢圓低通濾波器構(gòu)成，濾波模式用模擬開關選擇。本系統(tǒng)程控調(diào)整有源濾波的-3dB截止頻率，使其在1~30kHz范圍內(nèi)可調(diào)，誤差小于1.5%。此外，采用有效值采樣芯片AD637及12位并行A/D轉(zhuǎn)換器MAX120實現(xiàn)了對掃頻信號幅度的測量。
1 方案論證與選擇
1.1 可變增益放大模塊的設計與論證
方案1：數(shù)字電位器控制兩級INA129級聯(lián)。用FPGA控制數(shù)字電位器DS1267使其輸出不同的阻值，作為高精度儀表放大器INA129的反饋電阻。通過控制數(shù)字電位器來改變INA129的放大倍數(shù)，從而實現(xiàn)放大器的增益可調(diào)。
方案2：采用可變增益放大器AD603實現(xiàn)。可變增益放大器內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯型網(wǎng)絡輸入端的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定；可通過單片機控制，由DAC產(chǎn)生精確的參考電壓控制增益，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。
由于輸入的正弦小信號振幅10 mV，電壓增益60 dB，10 dB步進程控可調(diào)，且電壓增益誤差不能大于5％。對精度而言兩個方案都可實現(xiàn)，在AD603后再加一級放大也可實現(xiàn)60 dB的放大倍數(shù)。但數(shù)字電位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，有電容影響，后級接運放后會帶來意想不到的后果，因此采用方案2。
1.2 濾波器模塊的設計與論證
方案1：采用數(shù)字濾波器。利用MATLAB的數(shù)字濾波器設計FIR或者IIR濾波器。數(shù)字濾波器具有精度高，截止特性好等優(yōu)點。但是FIR濾波器會占用太多FPGA資源，IIR濾波器設計時工作量大且穩(wěn)定性不高，且要使截止頻率可調(diào)，必須使用不同的參數(shù)，設計起來軟件量比較大。
方案2；采用無源LC濾波器。利用電感和電容可以搭建各種類型的濾波器。參照濾波器設計手冊上的相關參數(shù)，可以比較容易地設計出理想的濾波器。但是如果要截止頻率可調(diào)，只有改變電感電容參數(shù)，硬件會非常復雜。
方案3：采用集成的開關電容濾波器芯片。開關電容濾波器是由MOS開關、MOS電容和MOS運算放大器構(gòu)成的一種大規(guī)模集成電路濾波器。其開關電容組在時鐘頻率的驅(qū)動下，可以等效成一個和時鐘頻率有關的等效電阻。當用外部時鐘改變時，等效電阻改變，從而改變了濾波器的時間常敦，也就改變了濾波特性。開關電容濾波器可以直接處理模擬信號，而不必像數(shù)字濾波器那樣需要A／D、D／A變換，簡化了電路設計，提高了系統(tǒng)的可靠性。
綜上所述，本系統(tǒng)采用方案3，利用集成芯片MAX297實現(xiàn)低通濾波器，利用LTC1068實現(xiàn)高通濾波器；采用方案2，利用無源LC濾波器技術(shù)來實現(xiàn)四階橢圓低通濾波器。
2 系統(tǒng)總體設計方案及實現(xiàn)方框圖
本系統(tǒng)以單片機及FPGA為控制核心，由可控增益放大模塊、程控濾波模塊和幅頻特性測試模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。輸入振幅為1 V的信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡衰減后變成振幅10 mV的小信號，經(jīng)OPA690前級放大2倍，同時起到阻抗變換和隔離的作用。與此同時由AD9851產(chǎn)生一設定頻率的正弦信號，通過模擬開關選擇一道送到后級。信號由程序控制AD603進行0～60dB的可調(diào)增益放大后，送入濾波模塊。濾波模塊包括低通、高通、橢圓濾波器，其中低通、高通由程序控制-3 dB截止頻率在1～30 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，步進1kHz。橢圓濾波器截止頻率50 kHz。再通過模擬開關選擇某一特定濾波信號輸出，經(jīng)有效值檢波和A／D轉(zhuǎn)換后送入FPGA進行幅頻特性的測試，再用兩塊DAC0800實現(xiàn)幅頻特性曲線的顯示。
3 主要功能電路設計
3.1 放大模塊
放大模塊的具體電路如圖2所示。第一部分是一個分壓網(wǎng)絡，其中前4個電阻將輸入信號衰減100倍，并與信號源內(nèi)阻共同構(gòu)成51Ω阻抗，后面的51Ω為匹配電阻。第二部分采用OPA690將小信號放大2倍，同時起到阻抗變換和隔離的作用。由于AD603輸入阻抗為100Ω，所以在后面串接一個100 Ω的電阻進行匹配。第三部分即為AD603可變增益放大，它的增益隨著控制電壓的增大以dB為單位線性增長。1腳的參考電壓通過單片機進行運算并控制DAC芯片輸出電壓來得到，從而實現(xiàn)精確的數(shù)控。增益G(dB)=40VG+G0，其中VG為差分輸入電壓，范圍-500～500mV；G0是增益起點，接不同反饋網(wǎng)絡時也不同。在5、7腳間接一個5kΩ的電位器，從而改變。
LTC1068是低噪聲高精度通用濾波器，當其用于高通濾波時，截止頻率范圍1 Hz～50 kHz，并且直至截止頻率的200倍都無混疊現(xiàn)象。由于LTC1068的4個通道都是低噪聲、高精度、高性能的2階濾波器，因此每個通道只要外接若干電阻就可以實現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻濾波器的功能。具體電路如圖3所示。其中B端口Q值0．57，A端口Q值約為1。在電路的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，A口的Q值需比B口Q值大，否則信號在截止頻率處幅值會有上翹。
3.3 低通濾波模塊
用MAX297實現(xiàn)低通濾波器。開關電容濾波器MAX297可以設置為8階低通橢圓濾波器，阻帶衰減為-80dB，時鐘頻率與通帶頻率之比為50：1。通過改變CLK的頻率，即可滿足濾波器-3 dB截止頻率在1～20kHz范圍內(nèi)可調(diào)，步進1 kHz的要求。
在使用MAX297時要注意的是，當信號頻率和采樣辨率同頻，開關電容組在電容上各次采到相同的幅度為信號幅值的信號，相當于輸入信號為直流的情況，使濾波器輸出一個直流電平。同理，當信號頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時，也會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。為此，在其前面，要增加模擬低通濾波器，把采樣頻率及其以上的高頻信號有效地排除。故又用一級MAX297，截止頻率設置為50kHz。其中時鐘頻率設置為2．5 MHz。在其后面，也要增加低通濾波器，其截止頻率為150 kHz，以濾去信號的高頻分量，使波形更加平滑。具體電路如圖4所示。
3.4 四階橢圓低通模塊
系統(tǒng)要求制作一個四階橢圓型低通濾波器，帶內(nèi)起伏≤1 dB，-3 dB通帶為50 kHz，采用無源LC橢圓低通濾波器來實現(xiàn)。用Filter Sol ution模擬仿真濾波器，隨后在Multisim中再模擬仿真并調(diào)整電容、電感的參數(shù)使其為標稱值。此外，在橢圓濾波器前后接射級跟隨器避免前后級影岣。具體電路如圖5所示。
系統(tǒng)軟件設計由單片機和FPGA組成，用戶可以通過界面的顯示選擇高通、低通和橢圓濾波器，可以設置截止頻率，同時可以顯示幅頻曲線。其中單片機主要完成用戶的輸入輸出處理和系統(tǒng)控制，F(xiàn)PGA主要完成的功能有：控制AD9851產(chǎn)生掃頻信號、控制濾波器截止頻率的時鐘信號的產(chǎn)生以及控制兩塊D／A以顯示幅頻特性曲線。程序流程圖如圖6所示。
5.1 放大器測試
放大器輸入端的正弦信號頻率為10 kHz，振幅為10 mV，設定增益大小分別為10、20、30、40、50、60dB，用示波器測量實際輸出幅值，計算出實際增益，其誤差小于1％。此外，測得放大器通頻帶為1～200kHz。
5.2 低通、高通濾波器測試
將放大器增益設置為40dB，濾波器設置為低通濾波器，預置濾波器截止頻率在1～30 kHz范圍，步進為1kHz。用示波器測量實際截止頻率，計算相對誤差小于1．5％，且2fc處的電壓總增益小于20dB。高通濾波器測試方法同理。
5.3 橢圓濾波器測試
放大器增益設置為40 dB，用示波器測量實際-3 dB截止頻率和200 kHz處的總電壓增益。測得fc=50．0kHz，在150 kHz處幅度就已幾乎衰減到0。
5.4 幅頻特性與相頻特性測試
測量低通、高通濾波器的頻率特性，在示波器上顯示其幅頻特性曲線，與所設置的濾波模式及截止頻率相符。
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