程控滤波器设计
程控滤波器
摘要：本系统以高性能单片机C8051F020最小系统为控制模块，采用低噪声高带宽单片仪表放大器INA103和开关电容滤波器芯片MAX262来完成程控滤波器的设计，并通过电阻网络的切换实现放大器的电压增益的10dB步进；高通滤波器和低通滤波器可通过模拟开关来切换，单片机对中心频率f0和品质因数Q进行独立编程控制，实现对滤波器的截止频率步进调节。本系统原理简单，人机交互界面良好，操作简单，各项指标达到了或超过了设计要求。
关键词：程控，滤波器，开关电容，DDS
方案论证与比较
放大器模块
设计任务要求放大器的电压增益为60dB,增益10dB步进可调，通频带为100Hz～40K Hz,即带宽为60M Hz。根据设计任务，有以下三种方案可供参考。
方案一：采用可变增益放大器AD603进行设计制作放大器。AD603具有低噪声，高频带宽度，稳定性能好等特点。它由电压增益控制区、无源输入衰减区和固定增益运放区三部分组成。通过调节增益控制输入电压VG即可实现增益可调，但控制VG进行精确的10dB步进比较困难，且AD603的供电电压为±5V，这限制了它的最大输出电压范围，难以达到设计要求。
方案二：由电阻网络和普通运算放大器组成，如图1-1-1所示。由同相比例运算电路可以得出Vout=(Rf/Rd+1)Vs。取Rf=99K，Rd=1K，即Vout=100Vs,Vs通过开关 S0~S4进行切换，各点输出电压分别为V0=Vin，V1=0.316Vin，V2=0.1Vin，V3=0.0316Vin，V4=0.01Vin。通过开关可以进行电压增益G的调节，放大倍数分别为100、31.6、10、3.16、1，即40dB、30dB、20dB、10dB、0dB。
此方案原理简单，硬件电路容易搭建，易于焊接，但是对电阻的精密度要求很高，对运放的带宽和性能也有很高的要求，开关的闭合、断开对电路的影响也不容忽视，对电路的稳定性不利。 图1-1-1 步进放大器原理简图
方案三：采用低噪声、高精度的仪表放大器INA103进行放大器的设计制作。它具有非常宽的频带宽度和优越的动态响应特性。INA103外围电路非常简单，只需外接反馈电阻RG就可以对电压增益进行设置，由芯片使用手册可知增益与反馈电阻RG的关系式为G=1+6KΩ/RG, 表1-1-1 增益与RG值
表1-1-1列出了常用增益值和RG近似值。 INA103增益30 dB时，带宽略大于2 MHz。根据表1-1制作电阻网络，通过控制模拟开关选择反馈电阻，就可以实现增益10dB步进可调。
综上所述，方案一实现10dB步进可调比较困难；方案二对电阻精度和运放要求较高，难以实现；方案三中选择的仪表放大器INA103带宽宽，性能高，能满足设计指标的要求。因此选择方案三。
滤波器模块
设计任务要求滤波器可设置为低通滤波器或高通滤波器，滤波器-3 dB截止频率fC在1K Hz～20K Hz范围内可1K HZ步进可调，R=1KΩ。根据设计任务可有以下几种方案可供参考。
方案一：用RC网络和集成运放搭建滤波器。根据参数要求计算出RC的值，组成RC网络，通过单片机控制开关的通断即选择不同R、C组合值来实现截止频率fC的步进可调，并通过开关进行低通滤波器和高通滤波器的切换。此方案原理简单明了，但是，截止频率fC范围大，计算量大，电阻电容的标称值跟理论计算值有偏差，精度难以达到设计要求，RC网络数目过多，使得整个电路结构庞大，焊接工作量大，调试麻烦，且不利于系统的组装。
方案二：采用双二阶开关电容有源滤波器芯片MAX262进行滤波器的设计。MAX262具有75KHZ中心频率范围，64步中心频率控制，128步品质因素Q控制，独立的中心频率和品质因素编程等特性。它有四种工作模式，可由单片机对工作模式，中心频率控制字和品质因数进行精确编程控制，实现不同的低通、高通滤波器。
此方案硬件电路简单，电路稳定，控制易于实现，不必花太多时间在硬件调试上，为竞赛争取时间，但成本相应有所增加。综合考虑采用方案二。
同样，四阶椭圆型滤波器的设计也有如下两种方案。
方案一：由RC网络和运算放大器组成椭圆低通滤波器。此方案原理简单，电路也简单，但电容和电阻的理论计算值和标称值存在偏差，精度难以达到设计要求。
方案二：采用模拟可编程器件isPAC80，通过设计软件isPAC1.3完成四阶椭圆低通滤波器的设计和仿真。此方案所需外围电路少，且软件设计调试、修改比较方便，又采用仿真软件辅助设计，提高了设计精度。
综合考虑，选择方案二。
时钟产生方案
由于采用专用滤波器芯片MAX262来完成设计，而MAX262工作需要外部时钟，又因为-3 dB截止频率fC在1K Hz～20K Hz范围内可1K Hz步进，经计算知：当滤波器时钟固定时难以满足要求，因此时钟频率必须根据不同的截止频率来进行相应调整（详细计算过程见系统整体设计）。可采用对固定频率进行分频的方法得到所需的各种时钟频率。有以下两种方案：
方案一：采用有源晶振，通过可预置数分频器得到所需的时钟频率。此方案硬件电路简单，控制方便。
方案二：利用FPGA直接做数控分频器，由单片机对分频数直接控制。FPGA具有丰富的逻辑资源，降低了电路的复杂性，提高了系统的稳定性，分频数控制起来也比较简单。
综上所述，两种方案均可行。根据实际条件，采用方案二。
简易幅频特性测试
设计任务要求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
围为100 Hz ~200K Hz，频率步进10K Hz。根据设计要求，主要是信号源的设计和幅度测量。采用直接数字频率合成技术DDS来完成信号源设计，实现DDS有以下几种方案：
方案一：由可编程逻辑器件和D/A转换器等外部器件组成，此方案可以灵活的发挥DDS信号源的各项优良的性能，但仍需外接D/A转化器等器件，且设计工作量大。
方案二：采用专用DDS集成芯片。此方案只需要少量外围器件，而且与可编程逻辑器件设计的DDS信号源相比，其性能更好。目前市面上有多种专用DDS芯片可供参考选择。
综上所述，根据实际需要采用DDS集成芯片AD9851，完成信号源的设计，幅度测量采用有效值检测芯片AD637完成。
系统整体设计
系统整体方案
经方案论证后，确定了系统的整体电路。系统以高性能单片机C8051F020最小系统为核心，包括放大器，滤波器，和幅频特性测试仪等几部分。C8051F020是基于51内核的单片机，它自带8位和12位的AD,两个12位DA,5个16位计数器/定时器，22个矢量中断源，4532字节内部数据RAM，64K字节flash，资源丰富，功能完善，开发简单。通过单片机控制模拟开关及继电器的通断来选择不同的反馈电阻以实现增益的10dB步进及低通滤波器和高通滤波器的切换，控制和处理DDS及AD采样实现幅频特性测试，系统框图如图2-1所示。
图2-1-1 系统框图
2.实际硬件电路
放大器电路
根据设计任务要求，采用两片INA103级联来完成放大器的设计。设置每片INA103增益分别为0 dB、10 dB、20 dB和30dB，这样即可实现0dB~60dB之间的10dB步进。开关采用低导通电阻的模拟开关Max312实现，原理图见附图1。
2）滤波器电路
根据设计要求，低通滤波器与高通滤波器分别在2fC处和0.5fC处与放大器总增益不大于30dB。由于一阶滤波器在2fC处衰减为6dB，故选择四阶滤波器。MAX262是双二阶有源滤波器，通过开关切换就可以分别实现低通和高通。滤波器原理图见附图1。
（1）滤波器的时钟选择
由MAX262数据手册知， fCLK/ f0=1.57N+40.84（N=0～63），计算知fCLK/ f0取值在40.84～139.75范围内，又因截止频率fC在1 KHz ~20 KHz之间，则中心频率f0范围应更广，暂取中心频率f0范围1 KHz~20 KHz，由上式可得fCLK的范围为：40.84KHz~817KHz，实际上fCLK的范围应更广才能满足要求。使用时，在保证N的取值在0～63间时选取适当的时钟分频系数来满足系统要求。
（2）滤波器的参数设置
为了方便使用，设置两级二阶滤波器的参数相同。当两级滤波器级联时，实际带宽会发生变化，当设置为低通滤波器时，带宽会缩小至原来的0.644倍；当
设置为高通滤波器时，带宽会增大为原来的1/0.644倍，约为1.553倍。因此在设置时，应预先把滤波器的截止频率进行相应的扩大或缩减。
（3）椭圆滤波器的设计
由isPAC80数据手册知，其输入电压范围为1V—4V。10mV输入电压以放大倍数60dB计算，为10V，超过了isPAC80的输入电压范围，则在其前级加一衰减电路。为保证滤波器的增益，则在其后级加一放大电路。原理图见附图1。
4）简易幅频特性测试仪电路
单片机控制DDS专用芯片AD9851产生扫频信号，信号经调理后，正弦信号后送入被测网络，被测信号通过有效值检测芯片AD637，再由单片机控制A/D转换器对被测网络进行采样，并由单片机对采样数据进行处理，得到幅度，频率及幅频特性曲线，并将结果送入液晶显示，即完成了幅频特性测试。
系统软件设计
本系统的软件程序相对独立简单，模块之间相互独立的工作，由按键的中断进入相应的工作界面。在放大器增益控制设置工作界面，按键控制模拟开关的通断来选取电阻实现放大器的10dB增益步进，在滤波器工作模式下，通过按键控制继电器的通断来完成低通滤波器和高通滤波器的切换，在幅频特性测试仪工作模式下，进行幅频特性特性测试。主程序流程图如图3-1所示。
系统测试
测试仪器仪表
函数信号发生器（GFG8255A 5MHz）
双函数多功能信号发生器/频率计（SG1467 7MHz/）
晶体交流毫伏表（WY2294 100V）
数字存储示波器（TDS1002 60MHz）
五位半数字万用表（VCIOR8155）
2.系统调试过程中的问题及解决方案
1）由于单片机直接接入系统，输入灌电流较大容易导致单片机损坏。对单片机输出端口加入缓冲电路后，单片机正常稳定的工作。
2）由于采用FPGA来实现数控分频器，引入了较大的干扰。采用光
图3-1 程序流程图 耦6N137对FPGA进行隔离，消除了FPGA引入的干扰，系统能稳定的工作。
3.测试步骤及测试结果
根据设计任务要求，首先对放大器进行单独测试，然后对放大器和滤波器进行联调，最后对简易幅频特性测试仪进行调试。
1） 放大器的测试
由双函数多功能信号发生器/频率计提供振幅为10mV的正弦信号，在设定增益的条件下改变输入信号频率，在示波器监测输出波形不失真的情况下，由晶体交流毫伏表测量输入输出电压，即可计算出电压增益，与设定的增益值比较找出放大器的通频带。主要测试结果如表4-2-1所示，完整测试情况如附表一所示。由测试结果得放大器的通频带为90 Hz~45K Hz，电压增益误差控制在4%以内，超过了设计要求。
表4-2-1 放大器的主要测试结果
2）滤波器的测试
将信号经放大器放大后送入滤波器，滤波器接入1KΩ的负载电阻。改变输入信号的频率，在设定的滤波器-3dB的截止频率fC情况下测试电压的总增益。并测得使滤波器输入衰减0.707的频率，即为截止频率fC实值。再分别测量低通滤波器2fc处和高通滤波器0.5fc处与放大器的总增益。滤波器的主要测试结果如表4-2-2所示，完整测试数据如附表二和附表三。四阶椭圆型低通滤波器的测试结果如附表四所示。由测试结果知，滤波器的截止频率可在1K Hz ~20K Hz范围内可调，步进为1K Hz，低通滤波器在2fc处与放大器的总增益不大于30dB，达到了设计任务，截止频率误差不大于5%，超出了设计要求。
表4-2-2 滤波器的主要测试结果
3）四阶椭圆低通滤波器的测试
经实测，椭圆低通滤波器-3dB的通频带为54.8KHz，通带误差9.6%，200KHz处与放大器的总电压增益小于5dB，带内起伏≤1dB。
4）幅频特性测试仪的检测
单片机控制DDS频率步进，测出网络的幅频特性，并在液晶上显示出幅频特性曲线。
结束语
本系统在调试过程中，发现FPGA对系统的干扰较大以及系统工作电流较大，容易造成干扰和损坏单片机，通过在单片机的输出端口加入缓冲电路，同时用光耦对FPGA进行隔离，提高了系统的稳定性和可靠性。测试结果表明，部分指标达到了或超过了设计要求，较好的完成了设计任务。
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附图1
附表一： 放大器测试表
附表二：
低通滤波器测试表
附表三：
高通滤波器测试表
程控滤波器设计.doc
