程控滤波器的设计报告908.pdf

程控滤波器设计报告（初步）摘要：本系统设计由可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪 4 部分组成。可控增益放大器部分是以 AD603 作为核心器件，实现 060 dB 之间的增益调节；程控滤波器部分通过MAX261 不同工作方式的设置，实现不同的滤波要求。整个系统的控制和操作采用单片机 8051F020 来完成。测试结果可用 LCD 显示。性能指标达到设计要求，工作可靠，用户界面友好.关键词：AD603，程控滤波器，8051F020，幅频特性 目 录 第一章 总体方案设计 1-1 第二章 方案论证 2-4 第三章 各单元模块设计 第一节 放大器模块 5-5 第二节 滤波器模块 6-6 第三节 幅频特性测试模块 7-7 第四章 测试结果（略）第五章 设计总结 8-8 第六章 附录（略）第一章 总体方案设计 引言：本设计是基于开关电容有源滤波器的程控滤波器，可自由选择低通、高通和带通模式，也可步进调节滤波器通带截止频率和放大器增益，其创新点在于设计实现了四阶低通椭圆滤波器功能以及幅频特性的测试与显示功能。该程控滤波器设计成本低、实现简单，可广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制等领域，具有较强的实际应用性，走在国内外相关领域的前沿。系统软件设计主要有 3 部分：(1)设置放大器的增益，控制高低通等滤波器的切换并设定其截止频率；(2)幅频特性测试产生 DDS 信号的频率控制字，控制频率步进，测量并显示信号通过滤波器后的幅值信息；(3)人机交互功能。系统软件设计采用模块化思想，模块内部采用层次化设计，总体流程如图 1-1 所示。图 1-1 第二章 方案论证 程控放大器方案 题目要求放大器输入信号振幅 10mV，即峰峰值为 20mV，电压增益为 40dB，增益步进为 10dB，通频带为 100hz-40khz。方案一：使用低噪声运放 OP37 按要求做 6 路不同幅度的放大，然后再用继电器或模拟开关做通道切换。该方案硬件实现简单，增益控制准确。但是控制相对复杂且涉及的元器件较多，不利于系统的快速实现。方案二：使用可变增益放大器 AD603 的压控增益接法。AD603 是一种低噪声，宽带（最大 90M 增益带宽积）可变增益运放。根据文档中给出的增益公式，直接就可得到增益的连续控制，且结果为对数值。可以方便的实现 0db 到 40dB 的增益范围。综合以上分析，我们认为方案二的可操作性最佳，而且方案二经过运放调整后相对较容易实现题目峰峰值要求，故选方案二。程控滤波器方案 题目要求滤波器可设置为低通和高通滤波器，-3dB 的截至频率为1K20KHz，频率步进为 1KHz，并且 2 处系统的总增益不大于30dB。我们考虑的方案有以下几种：方案一：使用现成的滤波器芯片，如 Maxim 公司的开关电容滤波器芯片 MAX261，可以实现低通、高通、和带通滤波器，中心频率范围可以从 DC 到 140KHz，能较好实现题目的要求。方案二：采用状态可调滤波器，用 3 个运放和电阻电容来组成，电路比较简单，而且可以实现 LPF、BPF、HPF 三种输出。可以使用先确定决定 Q 值的电阻和决定中心频率的电容，通过不同的电阻来切换中心频率，以达到截至频率为 1K20KHz，频率步进为 1KHz。方案三：采用状态可调滤波器来实现，利用 DA 的内部 R2R 电阻网络，通过数字量的控制实现电阻的变化，来改变滤波器的中心频率，以实现题目的要求。比较后觉得方案一比较好，相对易于实现所要求的功能。四阶椭圆滤波器 四阶椭圆滤波器的方案为：方案一：利用状态可调变量滤波器的 LP、BP、HP 输出，将三个按一定的比例叠加起来就可以得到一个二阶椭圆低通滤波器，再把两个二阶节串联起来就可以实现 4 阶椭圆低通滤波器.方案二：利用运放借助现有的 Filter Solutions 软件，直接借助软件给出的电路，做适当的调整就可以实现 4 阶低通椭圆滤波器。比较两个方案，方案一可以实现题目要求，但调试起来比较麻烦，技术要求较高，方案二电路形式简单易行，可快速制作，故采用方案二。幅频特性测试仪 题目要求我们制作幅频特性测试仪，扫频范围为 100Hz200KHz，频率步进为 10KHz，扫频方案我们采用 DDS 芯片，可以很好的实现线性扫频。关于检波方案主要有两种：方案一：先检波后放大的方案，检波放大的方案一般采用峰值检测的方法，检波输出后使用步进分压器，再使用直流放大器放大信号进行测量。但需注意检波二极管的参数会影响最小信号的分辨能力。方案二：先放大后检波的方案。放大检波的方案一般采用均值检测的方法，输入信号先进入步进分压器，经放大后送入均值检波器。但需注意放大器的带宽会影响测量的信号的频率范围。我们要测试的频率范围 100Hz200KHz，对放大器增益带宽积的要求不是很高，故我们采用方案二。第三章 各单元模块设计 31 放大器模块 可变增益放大器 AD603 的控制电压与增益呈线性关系，该系统采用 AD603 的通频带为 30 MHz 的典型接法。AD603 后由继电器控制接入增益为 20 dB 的同相放大器，从而实现 060 dB 的增益范围，同时采用 16 位串口 DA 转换器 MAX542 输出电压控制 AD603 的增益，其增益步进可达到 01 dB，最终设定系统的增益步进为 10 dB。电路图如图 3-1 所示。图 3-1 可控增益放大电路图 32 滤波器模块如图 3-2 所示 图 3-2 滤波器主流程框图 主程序实现设计中要求的低通、高通滤波器和四阶椭圆型低通滤波器功能。初始化部分要完成单片机外围电路参数设置及 LCD 主屏显示。放大器增益参数输入后，系统软件通过调用前置运放增益控制字程序实现给定增益控制，并测试和显示执行结果。工作参数设置可支持对滤波器工作模式、滤波方式、滤波器各参数因子的设置。截止频率 f 步进设置程序可以完成截止频率的输入显示，并调用滤波器参数优化设置子程序，使滤波器达到给定目标频率的目标要求。33 幅频特性测试模块 AD9851 由 DDS 产生 0200 kHz 范围内的扫频信号，DDS 产生信号的频率稳定度较高，而且信号的频率步进和信号幅值控制方便。DDS以 Nyquist 时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成。DDS 的基本工作原理：每个参考频率 fs 上升沿到来时，N 位的相位累加器值便按照频率控制字 K 的长度增加一次，输出所得相位值，正弦查找表将相位信息转化为相应的正弦幅度值。在 fs 和 N 一定的情况下，输出波形频率由频率控制字 K 决定。以一定步进循环增加频率控制字 K，输出频率变化的扫频信号。扫频信号通过被测网络后，由 AD637 检测有效值，即利用各个频点通过网络后的有效值在示波器上显示其幅频特性图。AD637 的外围电路简单，而且当输入峰峰值大于 2 V 时，其测量误差在 100 Hz1 MHz 的范围内可忽略。DDS 原理框图，幅频特性测试模块原理框图如图 3-3 所示。图 3-3 第五章 设计总结 本系统设计是基于 MAX261 的程控滤波器设计方案，通过可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪 4 各模块，实现了各项设计指标，前级放大器采用可控增益放大器实现 060 dB的增益变化范围，实现截止频率在 130 kHz 范围内数字可调，程控滤波器部分通过 MAX262 不同工作方式的设置，实现不同的滤波要求。同时采用无源 LC 网络实现四阶椭圆低通滤波器，利用高速 DA 转换器和有效值检波电路实现幅频特性测试仪整个系统的控制和操作采用凌阳单片机 SPCE061A 来完成。测试结果可用 LCD 显示，系统性能良好。系统设计简单，可较好地实现滤波器的程控，使用方便，具有较高的性价比、实用性和使用价值。通过本题的具体设计，我们对程控滤波器的整体设计原理及所要用到的各类芯片有了一个系统的认识和掌握，可谓受益匪浅。当然在设计过程中，我们还发现一些问题和不足，比如在方案论证方面，对于多个可实现同一功能的方案，我们犹豫不决。通过查阅大量资料及团队探讨，我们最终选择了最易实现的方案。