1、程控濾波器摘要：本系統(tǒng)以單片機(jī)和FPGA為控制核心，設(shè)計并制作了基于開關(guān)電容濾波器的程控濾波器。該濾波器具有高通、低通和帶通功能，截止頻率在1KHz30KHz范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)。前級放大器采用可控增益放大器實現(xiàn)了增益變化范圍為-13dB67dB，開關(guān)電容濾波器芯片實現(xiàn)了截止頻率數(shù)字可調(diào)，采用無源LC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了四階橢圓低通濾波器，利用高速D/A和有效值檢波電路實現(xiàn)了幅頻特性測試儀。此外，系統(tǒng)還擴(kuò)展了相頻特性測試功能。關(guān)鍵字：開關(guān)電容濾波器 可控增益放大器 幅頻特性測試 一、 方案比較與論證1、 題目要求本系統(tǒng)要求設(shè)計并制作一個程控濾波器。綜合分析，本系統(tǒng)的設(shè)計可以細(xì)分為以下幾個部分：放大器模塊、濾波

2、器模塊、幅頻特性測試模塊、人機(jī)交互模塊。2、 方案比較（1） 放大器模塊方案一：采用儀表放大器實現(xiàn)。單片儀表放大器（如AD620）增益可以在11000倍之間可調(diào)。通過改變儀表放大器的反饋電阻，從而改變放大器的增益。但是其單位增益帶寬積只有12MHz，不能滿足系統(tǒng)要求的放大器的通頻帶特性。方案二：采用D/A衰減器實現(xiàn)。利用可編程放大器的思想，先將輸入的交流信號放大1000倍，再將其作為D/A的基準(zhǔn)電壓，這時的D/A作為一個程控衰減器。但是用于控制的數(shù)字量與所需的增益(dB)不成線性關(guān)系而是指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降。方案三：采用可控增益放大器實現(xiàn)。可控增益放大器（如AD605）內(nèi)部由

3、R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯型網(wǎng)絡(luò)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；而這個參考電壓可通過單片機(jī)進(jìn)行運算并控制D/A芯片輸出控制電壓得到，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。AD605的通頻帶為40MHz，由兩級AD605級聯(lián)，其增益動態(tài)調(diào)節(jié)范圍可達(dá)96dB。綜上所述：采用可控增益放大器，增益連續(xù)可調(diào)，電路簡單，通頻帶完全滿足題目要求。所以我們采用方案三。（2） 濾波器模塊本系統(tǒng)要求設(shè)計并制作截止頻率可調(diào)的低通和高通濾波器以及一個四階橢圓低通濾波器。方案一：采用數(shù)字濾波器。利用MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計軟件設(shè)計FIR或者IIR濾波器，

4、然后在FPGA中用Verilog語言來實現(xiàn)。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(shè)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(shè)計起來軟件量比較大。方案二：采用有源RC濾波器。利用運算放大器和電阻、電容等分立元件構(gòu)造低通和高通濾波器，然后通過繼電器或模擬開關(guān)來切換不同的電阻值和電容值，借此改變?yōu)V波器的截止頻率。該方案簡單易行，但是為了達(dá)到系統(tǒng)的基本要求，必須設(shè)計20多套參數(shù)來進(jìn)行切換，硬件復(fù)雜，可操作性不強(qiáng)。方案三：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(shè)計手冊上的相關(guān)參數(shù)，可以比較容

5、易的設(shè)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(fù)雜。方案四：采用開關(guān)電容濾波器。開關(guān)電容濾波器是由MOS開關(guān)、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(guān)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(guān)的等效電阻。式中C為開關(guān)電容組的電容，為該濾波的時鐘頻率。當(dāng)用外部時鐘改變時，等效電阻R 改變，從而改變了濾波器的時間常數(shù)，也就改變了該低通濾波器的通頻帶。此方案操作比較簡單，而且目前市場上有集成的開關(guān)電容濾波器芯片（如MAX263,MAX297等），使用這些集成芯片，可以很大程度上節(jié)約設(shè)計時間，提高系統(tǒng)精度。綜上所述：我們決定采用方

6、案四，利用集成芯片MAX297實現(xiàn)基本要求中的低通濾波器，利用MAX263實現(xiàn)高通濾波器。采用方案三，利用無源LC濾波器技術(shù)來實現(xiàn)四階橢圓低通濾波器。3、 系統(tǒng)總體設(shè)計方案與實現(xiàn)框圖本系統(tǒng)采用可控增益放大器AD605作為放大器模塊的核心，在輸入信號進(jìn)入AD605之前，先經(jīng)一級前級放大。然后在AD605之后再接后級放大，實現(xiàn)13dB67dB之間的增益調(diào)節(jié)。采用開關(guān)電容濾波器MAX297和MAX263實現(xiàn)截止頻率在1KHz50KHz范圍內(nèi)可調(diào)的低通和高通濾波器，采用無源LC濾波器的方法實現(xiàn)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，放大器輸出的信號通過濾波器后加在1K的負(fù)載上，各濾波器的

7、輸出切換用繼電器來實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用DAC904實現(xiàn)掃頻信號輸出，掃頻信號通過濾波器后再經(jīng)有效值檢波（AD637）電路和測相電路后實現(xiàn)幅頻特性和相頻特性的測量。系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖如圖1所示,DAC904電路、帶通濾波器、有效值檢波電路、測相電路見附錄1圖5圖8所示。圖1 系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖二、 理論分析與電路設(shè)計1、 放大器部分我們以可控增益放大器AD605為核心來實現(xiàn)系統(tǒng)前級放大器。根據(jù)題目要求，放大器輸入正弦信號幅值為10mV，基本部分要求電壓增益為40dB，發(fā)揮部分要求電壓增益為60dB，所以放大器輸出電壓最大幅值為10V。而AD605輸出電壓幅值一般在1.5V以下，并且AD605處于衰減工作

8、狀態(tài)時比較穩(wěn)定，所以我們在信號進(jìn)入AD605之前，先進(jìn)行一級前級放大，放大增益為15dB，然后將兩級AD605級聯(lián)，將其增益設(shè)置在-28dB32dB的變化區(qū)間。這樣前面兩級電路輸出電壓的調(diào)整范圍為13dB47dB。在AD605之后，我們再通過繼電器切換三級放大電路，放大增益分別為0dB，10dB，20dB。這樣系統(tǒng)前級放大器的增益在13dB67dB之間能以10dB步進(jìn)可調(diào)。放大器增益范圍在13dB47dB之間時，用16位串口D/A MAX542輸出電壓控制AD605的增益控制端，其增益步進(jìn)可以達(dá)到0.1dB。其具體電路原理圖見附錄1圖9所示。2、 濾波器部分（1）低通濾波器我們利用MAX297

9、來實現(xiàn)基本要求中的低通濾波器。這種開關(guān)電容濾波器是由帶有求和和換算功能的開關(guān)電容積分器對一梯形無源濾波器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬構(gòu)成的。該器件時鐘頻率與通帶之比為50:1，改變其時鐘頻率，其通頻帶可從0.1Hz 變化到50kHz，完全滿足題目的設(shè)計要求。使用MAX297時，當(dāng)信號頻率和采樣頻率同頻，且相位合適時，開關(guān)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(dāng)于輸入信號為直流的情況。因此在采樣電容上產(chǎn)生一個直流信號，使濾波器輸出一個直流電平。同理，當(dāng)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。要去除這種現(xiàn)象，須限制輸入信號的范圍，使之小于開關(guān)電容濾波器的采樣頻率（時鐘頻率）。所以在使用MA

10、X297時，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。在其后面，也要增加低通濾波器，濾去信號的高頻分量，使波形更加平滑。MAX297的完整電路原理圖見附錄1圖10所示。（2）高通濾波器部分我們利用開關(guān)電容濾波器芯片MAX263來實現(xiàn)基本要求中的高通濾波器。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理與MAX297相似，但它的中心頻率與Q值是對外置引腳進(jìn)行編程來控制的。我們將MAX263的Q值設(shè)置為0.790，比值設(shè)置為185.35。然后通過改變外部時鐘來控制高通濾波器的3dB截止頻率。其具體電路原理圖見附錄1圖11所示。（3）橢圓低通濾波器部分系統(tǒng)要求制作一個四階橢圓型低通濾波器，帶內(nèi)起

11、伏1dB，-3dB通帶為50kHz，我們采用無源LC橢圓低通濾波器來實現(xiàn)。從電子濾波器設(shè)計手冊上查表得四階橢圓無源濾波器在，時，相應(yīng)的歸一化參數(shù)如下：取無源濾波器的端間匹配阻抗為，截止頻率代入公式 其中表示歸一化的電容值、電感值；表示以處為通帶3dB衰減的低通濾波電路中所對應(yīng)的電容值、電感值。經(jīng)計算結(jié)果如下：將上述值轉(zhuǎn)換成標(biāo)稱值后，得到的電路原理圖如圖2所示：圖2 四階橢圓低通濾波器電路原理圖 圖3 在Multisim中的仿真波形圖3是其在Multisim中的仿真波形。從仿真波形上看，該濾波器的通帶波動寬度，截止頻率為50.65KHz，在200K處衰減56.45dB，滿足題目要求。三、 系統(tǒng)軟

12、件的設(shè)計系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要有三個部分：（1）設(shè)置放大器的增益，控制高低通濾波器的切換并設(shè)定其截止頻率；（2）幅頻特性測試，產(chǎn)生DDS信號的頻率控制字，控制頻率步進(jìn)，測量并顯示信號通過濾波器后的幅值信息和相位信息。（3）人機(jī)交互。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示：圖4 系統(tǒng)軟件流程圖四、 系統(tǒng)測試與分析1、測試使用儀器及型號直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源： 型號SG1733SB3A60M數(shù)字存儲示波器： 型號TEKTRONIX TDS1002低頻數(shù)字信號源： 型號IWATSU SG-4105數(shù)字合成高頻信號發(fā)生器：型號SP1461萬用表： 型號FLUKE 17B低頻毫伏表： 型號 XJ21822、測試方法與測試數(shù)據(jù)（

13、1）放大器測試測試方法：放大器輸入端輸入峰值為10mV的正弦信號，將放大器增益設(shè)置為40dB，從100Hz開始增大輸入信號的頻率，用示波器測試放大器的通頻帶。然后將輸入信號的頻率固定為10KHz，預(yù)置放大器增益，用低頻毫伏表測試其實際增益，計算增益誤差，并檢驗增益步進(jìn)。測試結(jié)果：預(yù)置增益實測增益相對誤差波形失真情況10dB10.1031.03無明顯失真40dB40.0000無明顯失真60dB60.0000無明顯失真放大器的通頻帶為：21Hz146KHz。（2）濾波器測試測試方法：將放大器增益設(shè)置為40dB，濾波器設(shè)置為低通濾波器，預(yù)置濾波器的截止頻率，用低頻毫伏表和示波器測試其實際截止頻率，計

14、算相對誤差，并檢測截止頻率步進(jìn)和處的電壓總增益。高通濾波器的測試方法同上。橢圓濾波器的測試，將放大器的增益設(shè)置為40dB，用低頻毫伏表和示波器測量其通帶起伏，-3dB截止頻率和200KHz的總電壓增益。測試結(jié)果：低通濾波器：預(yù)置截止頻率實測截止頻率相對誤差處的電壓總增益1KHz1.000KHz0幾乎為0，只有Vpp約15mV的噪聲10KHz10.000KHz0同上20KHz20.004KHz0.02%同上高通濾波器：預(yù)置截止頻率實測截止頻率相對誤差處的電壓總增益1KHz1.000KHz027.16 dB10KHz10.000KHz027.16 dB20KHz19.900KHz0.526.93

15、dB橢圓低通濾波器：通帶起伏：PRW=20log（1.96/1.86）dB= 0.455dB，-3dB截止頻率為51KHz，在200KHz的電壓總增益為1.93dB。（注：以上詳細(xì)測試數(shù)據(jù)見附錄2）（3）幅頻特性與相頻特性測試用幅頻特性測試儀和相頻特性測試儀測量橢圓濾波器的頻帶特性，在LCD液晶屏上可以很清楚的觀測到幅頻特性曲線和相頻特性曲線。3、數(shù)據(jù)誤差分析本系統(tǒng)引入誤差的因素主要有以下幾個：放大器的非線性誤差，開關(guān)電容濾波器引入的損耗。關(guān)鍵是布板的問題。五、 總結(jié)分析與結(jié)論本系統(tǒng)較好的完成了題目基本部分及發(fā)揮部分的所有要求，系統(tǒng)整體性能良好。此外，系統(tǒng)對題目的各項指標(biāo)都做了進(jìn)一步的延拓，增

16、大了放大器的增益調(diào)節(jié)范圍，擴(kuò)寬了濾波器的可調(diào)截止頻率范圍。系統(tǒng)還擴(kuò)展了相頻特性測試儀。六、 參考文獻(xiàn)【1】全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會（編）全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品精選（2005）北京：北京理工大學(xué)出版社，2007【2】陸明達(dá).開關(guān)電容濾波器的原理與設(shè)計. 北京：科學(xué)出版社【3】夏宇聞. Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社【4】阿瑟.B.威廉斯（著）電子濾波器設(shè)計手冊北京：電子工業(yè)出版社，1986【5】加博C.特默斯（著）現(xiàn)代濾波器理論與設(shè)計北京：人民郵電出版社，1982【6】M.S.高西（著）現(xiàn)代濾波器設(shè)計有源RC和開關(guān)電容北京：科學(xué)出版社【7】Schild

17、t,H.（著）C語言大全（第四版）北京：電子工業(yè)出版社，2002 七、 附錄1、 電路原理圖 圖5 DAC904電路原理圖圖6 帶通濾波器電路原理圖圖7 有效值檢波電路原理圖圖8 測相電路原理圖圖9 前級放大電路原理圖圖10 MAX297低通濾波器電路圖圖11 MAX263高通濾波器電路圖2、 測試數(shù)據(jù)（1）放大器測試數(shù)據(jù)：預(yù)置增益實測增益相對誤差波形失真情況0dB0.506dB有噪聲10dB10.103dB1.03%無明顯失真20dB20.090dB0.45%無明顯失真30dB29.990dB0.03%無明顯失真40dB40.000dB0無明顯失真50dB50.050dB0.017%無明顯失

18、真60dB60.000dB0無明顯失真（2）濾波器測試數(shù)據(jù)低通濾波器：預(yù)置截止頻率實測截止頻率相對誤差處的電壓總增益1KHz1.000K0幾乎為0，只有Vpp約15mV的噪聲3KHz3.000K0同上5KHz5.000K0同上8KHz8.002K0.025同上10KHz10.000K0同上15KHz15.004K0.026同上20KHz20.004K0.02同上30KHz30.005K0.017同上40KHz40.000K0同上高通濾波器：預(yù)置截止頻率實測截止頻率相對誤差處的電壓總增益1KHz1.000K027.16dB3KHz3.000K027.31dB5KHz5.000K027.238KHz8.000K027.2310KHz10.000K027.1615KHz14.850K1%27.0820KHz19.900K0.5%26.9325KHz25.000K026.53橢圓低通濾波器頻率100Hz1KHz3KHz5KHz7KHz9KHz11KHz13KHz15KHzVpp1.86V1.90V1.90V1.90V1.90V1.90V1.88V1.88V1.88V頻率17KHz19KHz21KHz23KHz25KHz27