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1、程控低通滤波器组员：2011136103 俞力 2011136125 叶明坤 2011126234 黄娇摘要：本系统基于开关电容滤波器的原理，以单片机和FPGA为控制核心，实现 了程控滤波器的设计。系统前级放大器由精密仪表放大器和数字电位器组成，可以 设置60dB的增益调节范围，步进10dB，通带到370KHz，增益误差3%以内。滤 波器以集成开关电容可编程滤波器MAX263实现高通滤波器，MAX297实现低通 滤波器，截止频率在1k到20k可调，步进为1kHz。本系统还完成了四阶无源椭圆 低通滤波器的设计，扩展了带通滤波器的程控功能，以DDS扫频电路实现幅频特 性的测试。系统性能达到指标要求
2、，工作可靠，界面友好。关键字：开关电容滤波器椭圆低通滤波器程控滤波目录摘要1目录2一、方案论证与选择31. 题目任务要求及相关指标的分析32. 方案的比较与选择3(1) 放大器的论证与选择3(2) 程控滤波器的论证与选择4(3) 椭圆低通滤波器的论证与选择4(4) 扫频信号源的论证与选择4(5) 幅度测量的论证与选择5二、系统总体设计方案及实现方框图5三、理论分析与计算61、可变增益放大器的理论分析62、开关电容滤波器的理论分析6(1) 开关电容滤波器6(2) 低通滤波器7(3) 高通滤波器73、椭圆低通滤波器的理论分析7四、主要功能电路的设计81、放大器电路82、低通滤波器电路103、高通滤
3、波器电路104、四阶椭圆低通滤波器电路115、有效值测量电路116、A/D转换电路137、DDS输出D/A转换电路138、幅频特性显示D/A转换电路14五、系统软件的设计151. 软件总体介绍152. 程序流程图15六、测试数据与分析151. 使用仪器及型号152. 测试方案（法）163. 测量数据164. 数据分析17七、总结分析与结论17八、参考文献17附录17一、方案论证与选择1、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。图1程控滤波器组咸框图题目要求放大器输入正弦信号电压振幅10mV
4、，电压增益60dB, 10dB步进可 调，电压增益误差不大于5%。滤波器可设置成低通或高通滤波器，-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。制作四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏ldB -3dB通带为 50kHz，要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB，-3dB通带 误差不大于5%。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，四阶椭圆低通滤波器，有效
5、值检波。难点在于放大器增益误差5%，四阶 低通椭圆滤波器的设计。2、方案的比较与选择(1) 放大器的选择与论证方案一：采用可变增益放大器芯片。如AD603,改变其增益控制引脚的电压差可 实现放大器的增益调节。此电压差可由单片机控制D/A芯片输出控制电压得到但 一阶的AD603不能满足增益最高60dB要求，如果进行级联，实现060dB的增益 动态范围，需要考虑AD603的衰减特性作增益分配，不利于计算和控制。方案二：采用固定增益放大加D/A程控衰减的方法。首先对信号进行足够增益的 放大，然后利用DAC输出信号与参考电压的比例关系，从参考端输入信号，通过改 变控制字达到对输出信号衰减控制的目的。此
6、方案只要选择合适的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，频率范围只能达到几十KHz，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：采用仪表放大器和数字电位器实现。单片仪表放大器INA129增益可以在 1100倍之间可调。我们通过控制数字电位器来改变仪表放大器的反馈电阻，从而 实现放大器的增益可调。INA129增益带宽积很高(200kHz, G=100)，采用两级 级联的方法即可满足题目要求的放大倍数及通频带特性。综上所述，本设计采用方案三。(2) 程控滤波器
7、的选择与论证方案一：采用数字滤波器。利用MATLAB的数字滤波器设计软件设计FIR或者 IIR滤波器，然后在FPGA中用Verilog语言来实现。数字滤波器具有精度高，截 止特性好等优点。但是FIR滤波器会占用太多FPGA资源，IIR滤波器设计时工作 量大且稳定性不高，且要使截止频率可调，必须使用不同的参数，设计起来软件量 比较大。而且在滤波器前要加入取样保持电路和模数转换器，滤波后需要DA转换 输出，增加了对系统硬件的要求。方案二：采用双DA结合外围有源滤波器。mDAC可构成一阶低通滤波器。Ti公 司的TLC7528，内含双DA,外接有源滤波器可实现低通、高通、带通的输出。通 过程序可以控制
8、DA进行Q值、放大倍数、截止频率的设置。但使用该芯片截止 频率只能设置到15kHz，不满足题目20kHz截止频率的步进可调。方案三：采用连续时间方式有源滤波器芯片，通过选通外围设计电阻来实现截止频 率可调。此方案要实现1kHz步进可调，就需要构建庞大的电路，无论从焊接和调 试的角度都不可取。方案四：采用开关电容式滤波器芯片。通过程序控制对该芯片进行Q值、阶次、中 心频率或截止频率的设置，可以实现通用的滤波器设计。控制简单，且精度较高， 阻带衰减程度也能满足要求。综上所述，本设计采用方案四。(3) 椭圆低通滤波器的选择与论证方案一：选用专用的椭圆滤波器芯片实现。此方案的缺点是无法达到题目中要求的
9、 Q值和带内平坦度。方案二：利用无源LC电路实现。由LC构成的无源滤波器能更好的处理较高频率 输入信号的响应，且4阶滤波器仅包含5个分立元件，实现较为简单。综上所述，本设计采用方案二。(4) 扫频信号源的选择与论证方案一：直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis简称DDFS或 DDS)。DDS以Nyquist时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成。基于相位 累加合成技术，在数字域中实现频率合成，可以输出高精度与高纯度的频率信号， 频率范围大，精度高，控制性好且容易实现。方案二：采用集成DDS芯片AD9851。AD9851是AD公司推出的采用先
10、进CMOS 技术生产的具有高集成度的直接数字合成器。外接参考频率源时，AD9851可以产 生频谱纯净、频率和相位都可控且稳定度非常高的正弦波，具有即时的频率转换、 控制灵活、体积小、成本低、功耗小等优点。方案一和方案二都可以满足题目的要求，但方案一输出的波形比方案二输出的 波形要好。综上所述，本系统采用方案一。(5) 幅度测量的选择与论证方案一：模拟方法实现峰值检波。该方法适合于测量中高频率段的信号，但当频率 较低时检波的纹波较大，电容等外围分立器件参数值的不准确也会带来较大误差。 方案二：数字方法实现峰值测量。基本思路是将信号的瞬时幅值经A/D采样送入 FPGA，在信号周期内对输入信号的采样
11、值进行大小比较，从而得出信号的峰值或 者峰峰值。数字测量可使精度和稳定度都得到进一步提高，且避免了模拟器件不稳 定或漂移等因素的影响，减少峰值检测的误差。但这种方法对采样点数的要求比较 高，通常情况下，保持波形失真度小，要求波形至少由64个点组成，这就大大地 限制了数字测量方法的测量频率范围。要克服测量频率的瓶颈可以采用欠采样的办 法，但会大大降低实时性，并且也会增加数字处理的复杂度。方案三：通过有效值测量进而得到幅值。由于所用的测试信号源输出的是标准的正 弦波，所以有效值与幅值之间存在简单的线性关系，利用这一线性关系，可以将测 量的有效值转化为幅值。这种方法只需要在有效值检波芯片的外围添加适
12、当的电 阻、电容即可实现，电路结构十分简单。检波芯片采用AD637,测量峰值系数高 达10的信号时附加误差仅为1%,且频带较宽。综上所述，本系统采用方案三。二、系统总体设计方案及实现方框图本系统主要由可变增益放大器，程控滤波器，幅频特性测试三个部分组成。由 单片机和FPGA实现放大器的增益控制、滤波器的性能设置及幅频特性的测量与 显示。输入小信号通过两级INA129进行060dB的可调增益放大，通过模拟开关 选择通道高通、低通滤波器或四阶低通椭圆滤波器，最后输出信号加在1K负载上。本系统米用DAC908实现DDS扫频信号输出，扫频信号通过滤波器后经有效 值检波和A/D转换实现幅频特性的测量。系
13、统总体实现方框图如图所示：信号输入FPGAI单片 机液晶控制键盘扫描系 统 总 线放大器增益控制时钟频率生成模块DDSRAM计数器:T 可变增益放大两级INA129D/ADAC908低诵滤波器2M椭圆通道选择L高诵滤波器*II .1 fb if I I ur-h mi-iMAX263FH椭圆滤波器T*有效值检波AD637通1道1K选负择滤!载波1器DAC0800图2系统总体框图三、理论分析与计算1、可变增益放大器的理论分析我们选用仪表放大器INA129，其单级增益G与外接电阻Rg的关系为：G二1 + 49.4k。其电流反馈特性提供了很高的增益带宽积(200kHz , G=100), Rg可满足
14、题目通带100Hz40KHz的要求。为实现060dB的增益范围，我们采用两 级INA129级联。输入振幅10mV的正弦电压，增益60dB，则输出动态范围为土 10V,所以至少用土 12V电源。外接电阻Rg我们采用数字电位器DS1267-100，它 由两个阻值为100k ，256位可调的电位器组成。放大器增益范围在10dB之间 时，用程序控制数字电位器，实现增益10dB的步进。2、开关电容滤波器的理论分析(1) 开关电容滤波器开关电容滤波器以有源滤波为例，其基本原理是以带高速开关的电容器替代滤 波器中的电阻元件来作为等效可控电阻，如图所示。T1，T2为受频率远高于信号 频率的两路互为反相的同步时
15、钟控制的等效开关。由于两开关交错导通，所以电容 C1会不断地把从电压源得到的电荷转移到电容C2上，由此可计算出每个时钟周 期内节点1，2间的平均电流为i二鼻，当Tc足够小时，就可以得到等效积分时Tc间常数e = Tc二，通过改变时钟周期Tc和电容比值C2/C1就可以改变影响滤波器 c1频率响应的时间常数，达到控制的目的。图3开关电容滤波器原理图(2) 低通滤波器我们用MAX297实现低通滤波器。开关电容滤波器MAX297可以设置为8阶 低通椭圆滤波器，阻带衰减为-80dB。时钟频率与通带频率之比为50： 1,改变时 钟频率，截止频率范围可调为0.1Hz50kHz。该芯片外围电路简单，无需外接电 阻。题目要求低通滤波器在2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB，故 两阶滤波器足以达到要求。使用MAX297时，当信号频率和采样频率同频，且相位合适时，开关电容组 在电容上各次采到相同的幅度为信号幅值的信号，相当于输入信号为直流的情况
