1 引言

濾波器就是選頻電路，可允許一部分頻率的信號通過，而抑制另一部分頻率的信號，它在數(shù)據(jù)采集、信號處理和通信系統(tǒng)等領域具有重要作用。這里提出一種基于開關電容有源濾波器的程控濾波器，可自由選擇低通、高通和帶通模式，也可步進調節(jié)濾波器通帶截止頻率和放大器增益。該程控濾波器設計成本低、實現(xiàn)簡單，可廣泛應用于數(shù)字信號處理、通信、自動控制等領域。

2 系統(tǒng)設計方案

該系統(tǒng)設計由可控增益放大器、程控濾波器、橢圓濾波器和幅頻特性測試儀4部分組成。圖1為其系統(tǒng)總體設計框圖。

圖1中，可控增益放大器部分是以AD603作為核心器件，實現(xiàn)0～60 dB之間的增益調節(jié)。AD603為低噪聲精密可變增益放大器，溫度穩(wěn)定性高，其內部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡和固定增益放大器構成，加在其梯形網(wǎng)絡輸入端的信號經衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量由加在增益控制接口的參考電壓決定；其增益與控制電壓呈線性關系，通過單片機控制，而由D／A轉換器產生精確的參考電壓來控制增益，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控，同時可降低干擾和噪聲。程控濾波器部分采用開關電容濾波器實現(xiàn)。開關電容濾波器是由MOS開關、MOS電容和MOS運算放大器構成的集成濾波器，其開關電容組在時鐘頻率的驅動下，可等效成1只與時鐘頻率有關的等效電阻R=1／2πCfc。其中C為開關電容組的電容,fc為濾波器時鐘頻率。

當用外部時鐘改變fc時，等效電阻R改變，從而可改變?yōu)V波器的時間常數(shù)，也改變?yōu)V波特性。

開關電容濾波器可直接處理模擬信號，而不必像數(shù)字濾波器需要A／D、D／A轉換，這樣簡化電路設計，提高系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)采用集成的開關電容濾波器MAX297實現(xiàn)低通濾波，采用MAX263實現(xiàn)高通濾波。

利用電感和電容可搭建各種類型的濾波器該系統(tǒng)利用無源LC濾波器技術，參照濾波器設計手冊相關參數(shù)，比較容易地實現(xiàn)較理想的四階橢圓低通濾波器，采用有源RC濾波器實現(xiàn)帶通濾波器。

放大器輸出信號通過濾波器后加在1 kΩ的負載上，各濾波器的輸出切換由繼電器實現(xiàn)。該系統(tǒng)以單片機和FPGA為控制核心，輔以DDS掃頻電路，經有效值檢波電路，實現(xiàn)幅頻特性的測試與顯示。系統(tǒng)性能指標達到設計要求，工作可靠，用戶界面友好。

3 理論分析與電路設計

3．1 放大器模塊

可變增益放大器AD603的控制電壓與增益呈線性關系，其增益為G(dB)=40×VG+G0。其中，VG為差分輸入電壓，VG范圍為-500～500 mV。G0是增益起點，接入不同反饋網(wǎng)絡時G0也不同。該系統(tǒng)采用AD603的通頻帶為30 MHz的典型接法，此時G0為20 dB，則增益為0～40 dB。AD603后由繼電器控制接入增益為20 dB的同相放大器，從而實現(xiàn)0～60 dB的增益范圍，電路如圖2所示。


采用16位串口D／A轉換器MAX542輸出電壓控制AD603的增益，其增益步進可達到0．1 dB，最終設定系統(tǒng)的增益步進為10 dB。

3．2 濾波器模塊

3．2．1 低通濾波器

系統(tǒng)采用開關電容濾波器MAX297實現(xiàn)低通濾波器。 MAX297是8階開關電容式低通橢圓濾波器，其滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過渡帶很窄。它由帶有求和與換算功能的開關電容積分器模擬梯形無源濾波器網(wǎng)絡而構成，其時鐘頻率與通頻帶之比為50:1，改變時鐘頻率，通頻帶在0．1 Hz～50 kHz范圍內變化，增益在通頻帶內存在的±0.1 dB的波動。

系統(tǒng)設計時，尤其要注意MAX297的使用，當信號頻率和采樣頻率同頻，且相位合適時，開關電容組在電容上依次采集幅度相同的信號為幅值信號，相當于輸入直流信號。因此采樣電容產生直流信號，使得濾波器輸出也直流電平。同理，當信號頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時，也會出現(xiàn)相同現(xiàn)象。要除去這種現(xiàn)象，須限制輸入信號范圍，使之小于開關電容濾波器的采樣頻率，即時鐘頻率。因此在使用MAX297時．應在其前面增加模擬低通濾波器，有效濾除采樣頻率及其以上的高頻信號。而在其后面也應增加低通濾波器，濾除信號的高頻分量，使波形更加平滑。具體實現(xiàn)電路如圖3所示。



3．2．2 高通濾波器

系統(tǒng)采用開關電容濾波器MAX263實現(xiàn)高通濾波器。該器件內部結構與MAX297相似，但其中心頻率f0與Q值由外置引腳編程設置。將MAX263的Q值設置為0．790,fclk/f0設置為185．35。通過改變外部時鐘fclk控制高通濾波器的3 dB截止頻率f0。

3．2．3 橢圓低通濾波器

采用無源LC橢圓低通濾波器實現(xiàn)，從濾波器設計手冊上查表得四階橢圓無源濾波器在θ=19°，Ωs=3.311時，相應歸一化參數(shù)：C1=1．210 F，C2=0．062 42 F，L2=1．220 H，C3=1．891 F，L4=0．846 9 H。取無源濾波器的端間匹配阻抗為R=510 Ω，截止頻率fp=50 kHz代入公式1

式中，Cn，Ln表示歸一化的電容值，電感值；C'n，L'n表示以fp為通帶3 dB衰減的低通濾波電路中所對應的電容值、電感值。計算結果為：C1=7．56μF，C2=390 pF，L2=1．98 mH，C3=11．81μF，L4=1.38 mH。將上述值轉換為標稱值后，得到圖4所示的電路原理圖和仿真波形。

3．3 幅頻特性測試模塊

FPGA由DDS產生0～200 kHz范圍內的掃頻信號，DDS產生信號的頻率穩(wěn)定度較高，而且信號的頻率步進和信號幅值控制方便。DDS以Nyquist時域采樣定理為基礎，在時域中進行頻率合成。DDS的基本工作原理：每個參考頻率fs上升沿到來時，N位的相位累加器值便按照頻率控制字K的長度增加一次，輸出所得相位值，正弦查找表將相位信息轉化為相應的正弦幅度值。在fs和N一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字K決定。以一定步進循環(huán)增加頻率控制字K，輸出頻率變化的掃頻信號。

公式1

掃頻信號通過被測網(wǎng)絡后，由AD637檢測有效值，即利用各個頻點通過網(wǎng)絡后的有效值在示波器上顯示其幅頻特性圖。AD637的外圍電路簡單，而且當輸入峰峰值大于2 V時，其測量誤差在100 Hz～1 MHz的范圍內可忽略。圖5為幅頻特性測試模塊原理框圖。


4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要有3部分：(1)設置放大器的增益，控制高低通等濾波器的切換并設定其截止頻率；(2)幅頻特性測試．產生DDS信號的頻率控制字，控制頻率步進，測量并顯示信號通過濾波器后的幅值信息；(3)人機交互功能。系統(tǒng)軟件設計采用模塊化思想，模塊內部采用層次化設計，將硬件接口處理及初始化部分作為底層的子程序，控制硬件接口的中斷并向上層提供接口讀取數(shù)據(jù)；中間層程序完成底層數(shù)據(jù)的收集和處理，將其結果上傳至最終的上層功能控制程序；最后主程序通過調用相關的功能控制模塊實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的構建。系統(tǒng)軟件總體流程如圖6所示。


5 測試結果

(1)用信號源在放大器輸入端輸入峰值為10 mV的正弦信號，在100 Hz～40 kHz范圍內，用雙蹤示波器檢測放大器的通頻帶。預置放大器增益，用低頻毫伏表測試輸出信號的有效值并檢測其實際增益，計算增益誤差，檢驗增益步進。測試結果表明放大器的增益范圍為0～60 dB，步進為10 dB，增益誤差小于0．5％。

(2)將放大器增益設置為40 dB，輸入信號為10 mV，選擇高通或低通濾波器模塊，預置濾波器截止頻率，用低頻毫伏表和雙蹤示波器測試其實際截止頻率，計算相對誤差，并檢測截止頻率步進和(低通)或(高通)處的電壓總增益，檢測到該處電壓總增益不超過20 dB。測試結果表明高通和低通濾波器的截止頻率在1～30 kHz內可調，頻率步進為1 kHz，且截止頻率誤差小于2％。

(3)橢圓濾波器的測試，將放大器的增益設置為40 dB，用低頻毫伏表和示波器測量其通帶波動、-3 dB截止頻率和200 kHz的總電壓增益。測試結果表明該橢圓濾波器的帶內波動小于0．2 dB。截止頻率為50．15 kHz，在200 kHz處衰減58．35 dB。

(4)幅頻特性測試儀的測試，選擇各濾波器為被測網(wǎng)絡，設定測試信號掃頻帶寬和步進開始掃頻，觀察液晶顯示屏上的幅頻測試圖，結果表明幅頻特性曲線與被測網(wǎng)絡理論計算結果比較相符。

6 結論

該系統(tǒng)設計實現(xiàn)各項設計指標，前級放大器采用可控增益放大器實現(xiàn)0～60 dB的增益變化范圍，開關電容濾波器實現(xiàn)截止頻率在1～30 kHz范圍內數(shù)字可調，采用無源LC網(wǎng)絡實現(xiàn)四階橢圓低通濾波器，利用高速D／A轉換器和有效值檢波電路實現(xiàn)幅頻特性測試儀，系統(tǒng)性能良好。系統(tǒng)設計簡單，可較好地實現(xiàn)濾波器的程控，使用方便，具有較高的性價比、實用性和使用價值。