程控滤波器报告

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1、 程控滤波器程控滤波器Program-controlled filter摘要摘要：本系统以 TI 公司的 STM32F103ZET6 单片机为核心，采用 TI 公司的仪表放大器、 压控放大器和程控放大器实现程控放大，可以达到 0 到 60dB 的增益调节范围，并且采用 程控的方式可以实现增益连续可调，通带可以达到到 300KHz。滤波器采用 MAXIN 公司的 MAX262 开关电容滤波集成芯片实现低通滤波和高通滤波，采用 FPGA 控制输入的时钟频 率，可以实现截止频率的连续可调，至少可以在 20K 范围内实现高通和低通滤波。另外， 本系统完成了扫频仪的设计，扫频范围宽，精度高。系统性能指标

2、都达到了设计要求，安 全可靠，用户界面友好。关键字关键字：程控滤波器 压控放大器 FPGA 扫频仪 一一 方案设计与论证方案设计与论证1.1 题目任务要求及相关指标分析题目任务要求及相关指标分析题目要求设计并制作程控滤波器，放大器增益可设置，低通或高通滤波器通带、截 止频率等参数可设置。其参考原理框图如图 1 所示，最后可以自制扫频仪进行频率扫描测 试。本系统大致原理框图如下：程控放大程控放大程控滤波程控滤波MCU键盘液晶DDS 信号发生器有效值检波图 1 题目要求放大器输入正弦信号电压振幅 10mV，电压增益 0 到 60dB，10dB 步进可调， 电压增益误差不大于 5%。滤波器可设置成低

3、通或高通滤波器，-3dB 截止频率在 1k-20kHz 范围内可调，步进 1kHz。低通滤波器在 2fc、高通滤波器在 0.5fc 处总电压增益不大于30dB。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是 100Hz200kHz，频率步进 10kHz。 经分析，本系统的设计主要分以下部分：可变增益放大器，高通滤波器，低通滤波器， 可变频率信号发生器和检波电路。1.2 可控增益放大电路设计可控增益放大电路设计方案一： 用程控放大器 PGA202，PGA204 构成，此方案控制简单，但是 PGA202， PGA204 不能调节到 0dB 到 60dB 的步进，需加一级继电器控制增益为

4、 3.16 倍的电路，但 是继电器切换挡位时有跳变，限制了性能。方案二：用固定增益放大和可控增益放大结合的方法。前级采用高共模抑制比的仪表 放大器对输入的小信号进行固定增益放大 20dB，中间级采用压控放大器放大-20 dB 到 20 dB，后级采用程控放大器实现 0 或 20dB 的固定增益。该方法的增益调节范围广，输出信 噪比大，频率特性好，可以在 300K 以内保持增益稳定不变。方案三：采用固定增益放大和乘法 D/A 程控衰减的方法。首先对信号进行足够增益的 放 大，可以采用两级放大的形式保证在题目要求的频率范围内放大到 60dB，然后利用乘法 DAC 对信号进行程控衰减。此方案只要选择

5、合适的 DAC，就可以达到高精度和高灵敏度的增 益控制，配合前级信号预放大，可实现增益可程控的放大器。但是由于 D/A 转换器本身的 速度问题，频率范围有限，对后级要求频率达到 200KHz 的测试造成影响，而且 DAC 在小增 益时精度低，噪声很大，所以放弃此方案。综上所述，本设计采用方案二。1.3 程控滤波器的设计程控滤波器的设计方案一：采用双二次的高通或低通滤波器。截止频率的调整由调整数字电位器实现。 但数字电位器阻值不准确，调整步进不够小，使截止频率的调整不准确。方案二：采用集成的开关电容滤波器芯片如 MAX262。开关电容滤波器可直接处 理模拟信号，简化了电路设计，容易实现功能。而且

6、此种方法可任意设置截止频率和 Q 值 以及通频模式，控制简单，易于调节，误差较小。方案三：采用 DAC 实现状态变量滤波器。可以采用 8 位乘法型数模转换器 tlc7528， 通过改变输入的 8 位数字信号调节阻值，从而改变 RC 滤波器的截止频率。该方法的误差 比较大，电路较复杂。综上所述，本设计采用方案二。1.4 扫频部分设计扫频部分设计采用 ADI 公司的集成的 DDS 芯片 AD9851 和宽带电流放大器 AD811 产生扫频信 号通过滤波器，然后采用真有效值转换芯片 AD637 转换成有效值进行 AD 转换送入单片机处理。改变输出频率，可以在 12864 上画出幅频特性曲线。二二 单

7、元模块设计单元模块设计2.1 可控增益放大电路可控增益放大电路可控增益放大器前级为仪表放大器 INA128 的 20dB 固定增益放大，该仪表放大器的抗 噪性能好，共模抑制比高，可以很好的采取小信号，并且增益带宽积完全可以满足要 求；中间级采用 12 位串行 DAC 芯片 TLV5638 控制压控放大器 VCA810 实现增益调节， TLV5638 内部自带电压基准，可以控制输出 0 到 2.048V 的电压，而 VCA810 为 0 到-2V 实现-40dB 到 40dB 的增益线性可调，因此，在中间通过精密放大器 OPA2132 将 DAC 输 出的电压放大-1 倍，为了保证该电压的稳定，

8、接了一个 3.3uF 的电容到地，实验发现， 增益比不接电容的时候稳定准确了很多。为了使 VCA810 工作在比较稳定的区域-20 到 20dB 的放大范围，且为了输出 20V 峰峰值的信号，末级采用程控放大器 PGA202 实 现 0 或 20dB 的固定可变增益， PGA202 为 1、10、100、1000 的固定增益放大，电源 电压为+-12V，为了使其的带宽较宽，只需 1 和 10 两档的放大就行。完全可以保证该 电路在 0 到 60dB 范围内的正常放大，且带宽可以达到 300K。2.2 可编程滤波器电路可编程滤波器电路MAX262 是美信公司的一款双通道的二阶开关电容有源滤波器，

9、可编程设置滤波 器的中心频率 f0 和品质因数 Q，且每一通道都有低通、高通、带通、陷波和全通的输 出，可编程设置其为 4 个工作模式中的任意一种。本题目选用 A 通道，通过继电器切 换高通和低通输出。只需给其配置时钟 CLK 即可实现利用开关电容模拟电阻，时钟不 同，其截至频率就不同，且呈线性变化。因此，本部分可以利用 FPGA 产生不同频率 的时钟信号送给 MAX262，从而实现截止频率的线性控制。由于它是二阶的滤波器， 因此可使其在低通 2fc 和高通 0.5fc 处输出总增益不超过 30dB。时钟信号发生器的 FPGA 设计框图如下：2.3 扫频仪扫频仪扫频仪是由 ADI 公司的集成

10、DDS 芯片 AD9851、宽带电流放大器 AD811 以及有效 值转换芯片 AD637 组成的。AD9851 内置高速比较器、RAM 锁相环、相位累加器和寄存 器，内部可将 30M 的时钟 6 倍频达到 180M，在 32 位频率控制字下，最低工作频率和频率 分频率可达 180M/232=0.04Hz。内部还自带 10 位 DAC，外接宽带高速电流放大器 AD811 即可产生各种频率的正弦波。控制简单，数据可 8 位并行或串行加载。具体串行工作电路 图如下：有效值检波电路图：三三软件系统设计软件系统设计四系统调试和数据分析四系统调试和数据分析测试表格 A： 程控放大器的测试（输入信号 Vpp

11、=20mV，频率 f=1k 的正弦波）GAIN 测试部分10db20db30db40db50db60db理论有效值22.35mv70.71mv223.5mv707.1mv2.235v7.07v实际有效值24.20mv72.00mv226.0mv720.00mv2.260v6.90v误差/%8.31.81.11.81.1-2.4数据分析:在小增益的情况下由于信噪比较小，误差较大；大增益的情况下可能波形略 有一点点失真，因此实际值比理论值略小，误差也大一点；中间各增益处实际值都比理论 较大一点，可能是放大器的增益有微差，但误差都很小，且都很稳定。测试表格 B：低通滤波器的测试（输入信号 Vpp=2

12、0mV，增益 G=40dB， -10dB 处的理论有效值为 228 mV）设定频率 （KHZ）15101520实际截止频率 （KHZ）0.9554.849.8115.1920.52误差/%-4.5-3.2-1.91.32.62fc 时信号的 有效值（mv）168171175184189总增益30dB 是是是是是测试表格 C：高通滤波器的测试（输入信号 Vpp=20mV，增益 G=40dB，-10dB 处的理论有效值为 228 mV）设定频率 （KHZ）15101520实际截止频率 （KHZ）1.055.2110.2215.0019.5误差/%5.04.22.20-2.52fc 时信号的 有效值

13、（mv）178181184187192总增益30dB 是是是是是数据分析:由低通和高通滤波器的数据发现，实际的截止频率与理论的截止频率之间有 一定的误差，但是都满足题目的要求，控制在 5%以内。且低通在 2fc 和高通在 0.5fc 时的 总增益都没超过原始信号的 30dB，也满足题目的要求。五报告总结：五报告总结：起初看到这个题目之后我们组的三个成员就开始把题目要求详细地看了几遍，然后 很快就开始了整个系统大致框图的布局，包括放大、滤波、扫频等等，这些很自然就涉及 到了单片机、FPGA、模拟器件以及液晶和键盘的协调配合。随后我们就各取所长开始了 初步的分工，当然在分工的同时也是在共同学习，因

14、为各个模块之间是需要相互搭配的， 而且每个人都有自己独到的见解。我们随后就开始了各部分具体详细的设计，设计的过程 还算比较简单，花的时间也相对比较少，大部分时间都在调试和改进电路。 调试的过程才是我们的设计慢慢走向完美的过程，不管是在放大、滤波还是扫频上 我们都花了比较多的时间来调试硬件和完善软件。这中间也遇到了很多问题，在老师的帮 助下和同学们的互相探讨下终于一步一步解决了。终于在最后的联调中得到了比较理想的 效果。当然，也还存在着一些问题，主要是设计的作品抗干扰能力较差，而实验室的噪声比 较大，在测试的过程中存在不小的干扰，导致在小增益时信噪比较小，输出波形不是很好， 误差也相对较大。后来发现，关掉旁边一些像台式机这样的电器，效果一下子改观了很多， 小增益时信号也干净了很多。当然，这并不是最好的解决办法，我们还有待提高电路的抗 干扰能力。 做完了这个题目之后我们组每个成员都有了比较大的收获，虽然是分工协作的，但是 每个人都对其他的模块了解的都一样透彻，也都有了一些新的发现。这是我们第一次配合， 效果虽然不是特别理想，但也都有一种成功感。相信以后会配合的越来越好，做出更加完 美的作品。 最后，要感谢一直以来给我们提供知识、物质和精神上帮助的田老师，谢谢老师。 。 。