14组程控滤波器

《14组程控滤波器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《14组程控滤波器（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、程控滤波器时间：2021.02.05创作：欧阳科摘要:本系统采用单片机和FPGA构成的最小系统为控制核 心，实现程控放大器和程控滤波器的功能。本系统主要包 括三个部分：程控放大器部分、程控滤波器部分、和幅频 特性测试部分。增益设置为060dB可调，步进为10dB,误 差小于5%o程控滤波器可实现高通、低通和带通滤波，- 3dB截止频率在1kHz 20kHz范围内可调，调节的频率 步进为1kHz。同时又制作了带内起伏WldB, -3dB通带为 50kHz的椭圆滤波器。此外，还可精确地测量幅频特性并在 LCD上显示幅频特性曲线。系统各项指标均达到甚至超过 要求。测试结果均可在LCD上实时地显示，界

2、面友好。关 键词:程控放大程控滤波MAX266幅频特性1 程控放大方案比较与论证方案一：采用可控增益运放AD603实现。AD603虽然能够 提供很宽的带宽，但在低频段，AD603则失去优势。且 AD603输出峰峰值只有6-7V,且外围电路较复杂，需两片 级 联级间耦合较复杂，容易自激。所以放弃此方案。方案二：采用D/A转换器来实现。利用D/A转换器内部的 电阻网络加上运放，便可控制放大倍数。此种方案虽然外 围电路较简单，但是由于D/A转换器本身的速度问题，频 率范围只能达到几十加乙对后级要求频率达到200KHZ的 测试造成影响，而且其噪声也很大，所以放弃此方案。方案三:运放+模拟开关十电阻网络

3、。这种方法利用模拟 开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。 由于题目中只要求测步进为10dB的7种增益，动态范围为 60dB,只需将运放的反馈电阻接7种不同的阻值，通过模拟 开关切换即可达到要求。此种方法实现上较直观容易，控 制起来比较方便也较精确，故采用此方案。2 程控滤波方案比较与论证方案一：数字滤波。通过在FPGA内部写入数字滤波器改变 其参数来实现。此种方案主要靠软件来实现，可以获得较 好的截止特性，但是要消耗FPGA内部大量的资源，增加了 软件的难度，同时又需加外部的取样保持及抗混叠滤波电 路，综合考虑放弃此方案。方案二:通过改变通常所用的有源滤波器的电容电阻值来 改 变

4、滤波器的参数。这样必然需要数量庞大的电阻电容来实 现参数的切换，切换电路过于复杂，且会引入很大的分布 电容和电感，误差很大。故放弃此方案。方案三：采用集成的四阶可编程开关电容滤波器实现。MAX26X系列的开关电容滤波器通过时钟控制和软件送入Q值和F0值来设置滤波器的参数，并且可以实现高通、低 通、带通等多种滤波器的设计，截止特性较好，并且外围 电路较简单，控制起来较容易，故采用此种方案。在本系 统中我们采用MAX266实现，其可设置的频率范围最高达140KHz, fo可以精确到0.4H乙满足要求。二、整机工作原理与功能实现1.系统总体设计本系统主要包括三个部分：程控放大、程控滤波、和幅 频特性

5、测试。其中程控放大器部分又包括前级放大、程控 放大和后级放大。程控滤波器部分包括程控滤波和后级放 大。幅频特性测试部分包括扫频信号源、前级信号处理、 有效值检波、A/D转换模块。各个功能之间采用继电器切 换。整个系统由FPGA ( EP1C6Q240C8)和单片机(AT89S52)控制。2.总体实现框图总体实现框图如图2-1所示。其中椭圆滤波和程控滤波 共 用输出端口，通过继电器切换。图2-1系统总体框图三、理论分析与主要功能电路设计1、理论分析(1)程控放大部分题目要求输入程控放大的信号为峰峰值为20mV,放大060dB （即-1000倍），即输出端的电压峰峰值为20mV20Vo由于输入为小

6、信号，不易米集处理，故所以先 加一级前级放大。由于后级的程控滤波器对输入信号的限 制(-5V-+5V)和模拟开关特性的限制(峰峰值达不到20V),所 以再加一级后级放大。前级放大采用仪表运放AD620对小信号进行放大，对输 入的波形有很大的改善，可以抑制噪声。AD620的增益计 算公式为G二1十49.4K/R选定前级放大倍数为10倍，则 r G的理论值应选择12.35KQO选定后级放大为2倍，则程 控放大模块放大倍数为1/20-50倍，在增益设置为40dB 时，输入到程控滤波器的信号峰峰值为IV,可以达到要求。程控滤波部分MAX266是可用电阻或引脚编程的通用开关电容滤波 器， 为了便于控制，

7、通过外部电阻选定Q值，根据datasheet资 料上的计算公式，定Q值为0.707,算出电阻值，具体阻值见 功能电路设计中的程控滤波器电路图。由于在设计时，对于 低通，MAX266的增益为2倍；而对于高通，增益为lo所以 为了和程控放大的增益等，须在程控滤波器后加一级可控增 益后级放大。在低通时，放大器增益设为1倍；高通时为2 倍。二者之间通过继电器控制。2、主要功能电路设计(1)程控放大部分欧阳科创编a）前级放大：由于程控放大输入信号峰峰值为20mV, 所以加一级电阻衰减网络，见附录图8-lo放大采用仪表运 放AD620实现，其电路图见附录图8-2。b）程控放大：程控放大采用模拟开关CD40

8、51和宽带高速运放LM7171实现。LM7171带宽为200MHz，增益 最大为50倍，带宽足够达到要求。图见附录图8-3。c）后级放大：采用运放LM7171实现，图见附录图8-4。程控滤波部分a）程控滤波器:程控滤波器采用MAX266，其中心频率fo256 级可调，Q值由电阻设置。采用双极性供电方式，所以输入 时钟都需经极性变换电路转换为双极性信号。频率控制字F0 F5确定后，只需改变CLK的频率即可控制滤波 器的参数 了。其电路图见下图3。图3-1 MAX266构成的程控滤波器b）后级放大：运放采用LF356,开关用继电器实现。电路图见附录图8-5o（3）幅频特性测试仪部分a）扫频信号源：

9、AD9851是一款方便易用的高速DDS芯 片，内部可以六倍频时钟，频率控制字由式F=FmFc/2n决定, Fc是时钟频率。其电路图见附录图8-6。c-y piI r| | n J bfnjJ2J. 2J.b）前级信号处理:为使AD9851输出波形幅度稳定，同ri-iq I o-j时消除直流分量，须加AGC (自动增益控制)电路，采用 可 控增益运放AD603实现。电路图见附录图8-7。经测试，此 AGC输出电压范围大约为峰峰值(1.010.01) V。由于程控放 大输入信号峰峰值为20mV,所以经继电 器控制加至电阻衰 减网络端。c) 真有效值检波：采用真有效值检波芯片AD637实 现，电路见

10、附录图8-8。d) A/D转换：采用12位A/D转换器MAX197实现，电 路见附录图8-9。(4)椭圆滤波器4阶椭圆滤波器采用无源的LC网络构成，设计输入输出 阻抗均为500Q,在输入端加上由运放构成的电压跟随器进 行阻抗匹配。电路图见图3-2。仿真波形见附 录图8-10。图3-2椭圆滤波器电路统软件设计1系统软件介绍系统软件采用模块化和层次化的设计思想。软件部分主 要包括：键盘接口、显示控制、基本模块部分和功能模块 部分。基本模块部分包括LCD显示初始化、中断初始化、 存储器的读写、欢迎界面的显示等基本子程序；功能模块部分包括继电器控制、程控放大控制、程控滤波控制、AD9851控制和数据采

11、集等模块。2软件流程图软件流程图如下图4所示。五、系统测试与数据分析IS测试方法及测试结果a）程控放大器部分测试将信号源的输入信号频率设置为1K,峰峰值设为IV再微调，直到用五位半的数字万用表测AD620的输入电压使得 为峰峰之20mv,按键测试程控放大部分后级放大的输出端 信号。记录如表1所示。系统初始化技槌诞择戳止频率滤波器类幅频fc设置型设置特性幕试曲线-去进炒 一椭t- VL 示步进1KC结束）图4-1软件流程图表1程控放大器测试数据2021.02.052021.02.05预设增益(dB )0102030405060输出峰峰值一 一 r 七 19.0mv6L8mv205.Omv640.

12、5mv1.98v6.32v20.0v头际增益(dB )-0.49.8020.230.139.949.960相对误差(% )210.30.250.20b)程控滤波器部分测试在负载为1KQ时，将程控放大部分的增益设为40dB，分别 将fc设置为表2中的各值，利用毫伏表测对应测其后级放 大输出端电压，计算其增益。同理测试高通和带通，数据 分别见附录中表4和表50表2程控滤波器测试数据(低通)预设-3dB频率(KHz)123467头测-3dB频率 (KHz)0. 971.922. 923.94. 845. 846. 84相对频率误差(%)3.04.02.72.53.22.72.32fc处增益(dB)2

13、7.727.727.727.727.727.827.9预设-3dB频率(KHz)891011121314头测-3dB频率 (KHz)7. 848.99.910. 8711.912.914.0相对频率误差(%)2.00. 10. 11.20.80.802fc处增益(dB)27.827.828. 128. 128.028.027.8预设-3dB频率(KHz)151617181920头测-3dB频率 (KHz)15.316.617.718.920. 121.5相对频率误差(%)23.74. 15.05.77.52fc处增益(dB)27.928.12&028.028. 128.3C)椭圆滤波器测试将程

14、控放大部分的增益设为40dB,在多个频率点测试椭圆 滤波器的输出端的电压，记录结果见附录中表60在200KHZ时测得系统增益为d) 幅频特性测试由于程控滤波的截止频率最大为20KH乙如果步进为lOKHz 则曲线特征不明显，所以测试椭圆滤波输出端的幅频特性。 将程控放大部分的增益设置为40dB，测试程控滤波器部分后 级放大输出端的电压。记录数据见表3。表3椭圆滤波幅频特性测试数据频率(KHz)10010K20K30K40K50K60K峰峰值(V)1.941. 881. 901.861.801.400. 95频率(KHz)70K80K90K100K110K120K130K峰峰值(V)0. 600. 400.310. 240. 200. 180. 15频率(KHz)140K150K160K170K180K190K200K峰峰值(mV)160130100604040302、测试数据分析