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1、精选优质文档-倾情为你奉上淮北煤炭师范学院 2010届学士学位论文 基于FPGA的程控滤波器的设计学院、专业 物理与电子信息学院 电子信息科学与技术 研 究 方 向 FPGA控制 学 生 姓 名 学 号 指导教师姓名 指导教师职称 2010年04月29日专心-专注-专业基于FPGA的程控滤波器的设计淮北煤炭师范学院物理与电子信息学院 摘要 本文研究的主要目的是设计一个由现场可编程门阵列（FPGA）控制的滤波器。首先设计一个利用模拟开关CD4051来实现增益可控的前置放大电路，然后用模拟开关CD4052设计截止频率可控的低通滤波电路和高通滤波电路，最后利用FPGA编程实现放大器的放大倍数和滤波器
2、的截止频率的控制以及通过数码管实现放大倍数和截止频率等参数的显示。从而设计出基于FPGA的程控滤波器，基于FPGA技术，使得该系统具有参数可程控，抗干扰能力强，可靠性好等优点。关键词 FPGA;程控；滤波器；放大器The Design of Programmable Filter Based on FPGASchool of Physics and Electronic Information, Huaibei Coal Industuy Terachers College, Abstract The main purpose of this study is to design a filt
3、er controlled by Field -Programmable Gate Array(FPGA). First of all, use analog switches CD4051 to design a gain-controlled pre-amplifier circuit, and then use analog switches CD4052 to design low-pass filter circuit and high-pass filter circuit and their cut-off frequency is controllable, finally u
4、se FPGA by programming to realize the control of the amplifier magnification and cut-off frequency as well as through the digital tube to achieve the display of magnification and cut-off frequency and other parameters, so as to achieve the design of programmable filter based on FPGA. Base on FPGA te
5、chnology, the strong anti-interference ability and reliability would be owned by the given-controlled programmer.Keywords FPGA; Program-controlled; Filter; Amplifier目 录1 引 言滤波器其实就是选频电路，可允许部分频率的信号顺利通过，而另一部分频率的信号受到较大抑制。在近代电信装备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛。模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。滤波器的优劣直接影响产品的性能，所以对滤波器的研究和生产
6、历来为各国所重视。其中，RC有源滤波器的应用比较广泛，以它为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，Q 值可达1000，克服了RLC无源滤波器体积大、Q 值小的缺点1。设计截止频率参数可设置的程控滤波器对提高滤波器的指标精度有着重要的意义和实用价值。在传统RC有源滤波器的基础上，利用FPGA编程实现对滤波器截止频率的控制，力求功能的多样和成本的低廉。 2 系统设计2.1 设计要求本文要设计的程控滤波器力求满足以下要求：1. 放大器输入正弦信号电压振幅为,电压增益为，增益步进可调，通频带为,放大器输出电压无明显失真。2. 滤波器可设置为低通滤波器，其截止频率在范围内可调，调节的频率步进为，
7、处放大器与滤波器的总电压增益不大于，。3. 滤波器可设置为高通滤波器，其截止频率在范围内可调，调节的频率步进为，处放大器与滤波器的总电压增益不大于，。4. 电压增益与截止频率的误差均不大于10%，有设置参数显示功能。2.2 总体方案设计根据设计要求可以确定一个总体设计方案。该程控滤波器基本上可以由FPGA控制模块、键盘模块、放大器模块、低通滤波器模块、高通滤波器模块以及显示模块组成。由FPGA来控制各模拟开关实现档位切换，从而实现放大器增益、低通和高通滤波器截止频率等参数可控，滤波部分通过多组不同阻值的电阻组合切换分别实现高通和低通滤波电路中的截止频率步进可调。通过集成在FPGA模块中的键盘来
8、设置参数，显示部分由LED数码管显示参数。总体方案设计如图1所示。图1 系统总体设计框图2.3 方案论证与选择2.3.1 程控放大器电路的选择改变程控放大器的增益一般有两种途径2，一种是改变反相端的输入电阻阻值，另一种是改变负反馈电阻阻值，设计程控放大器有如下两种方案。方案1: 采用数字电位器3，通过软件控制写入到电位器相关寄存器的数值来改变电阻值。但精度较低、档位有限，很难实现增益的精确控制，同时受信号的带宽限制，在运放环路中会影响整个系统的通频带宽。方案2: 通过模拟开关芯片CD4051来切换不同阻值的固定电阻来改变反馈电阻，从而改变电路的增益，各固定电阻可根据指标要求理论计算并经调试后确
9、定。这种方案通俗易懂，价格低廉，能够达到很高的精度。综上所述，选择方案2。2.3.2 程控滤波器电路的选择程控滤波器有如下两种方案可供选择。方案1: 采用专门的开关电容滤波芯片4，虽然集成度高，但价格昂贵，且不易于掌握。方案2: 采用有源的RC滤波电路，通过模拟开关芯片CD4052来切换不同阻值的固定电阻来改变电阻阻值，从而改变截止频率，各固定电阻可根据指标要求计算和仿真后确定，此种方案具有电路简单、价格低廉、易掌握、易实现等优点。综上所述，选择方案2。2.3.3 控制模块的选择程序控制模块负责调整放大器的增益和滤波器的截止频率，有如下两种方案。方案1:可以采用单片机控制电路，但是单片机资源有
10、限，电路中芯片使用较多，链接复杂。方案2：用FPGA实现控制5，集成度高、运行速度快，资源丰富，易于进行功能扩展。系统的多个部件如模拟开关控制电路，键盘控制电路，显示控制等都可以集成到一块芯片上，大大减小了系统的体积，并且提高了系统的稳定性和抗干扰能力。综上所述，选用方案2。3 单元模块设计与实现3.1 程控放大电路模块为保证放大器的放大倍数最高为100倍且程控放大器通频为6，采用三级放大，为了保证输出无明显的失真和干扰，选用低噪声放大器OP07。由模拟开关CD4051组成可调的电阻网络。程控放大器电路如图2所示，利用Mutisim仿真软件仿真得到如表1所示的电阻网络电阻阻值，由表1中数据可画
11、出如图2所示的电阻网络，放大电路的第一级放大倍数,第二级放大倍数,第三级放大倍数。总的放大倍数,其中的单位为。图2 程控放大器电路表1 电阻网络的电阻仿真数值开关通道电阻网络增益/放大倍数0000X0100010001X1316103.1620010X21K20100011X33.173031.620100X41040100图3 由模拟开关CD4051组成的电阻网络3.2 程控滤波器电路模块3.2.1 程控低通滤波器低通滤波器其截止频率在范围内可调7，调节的频率步进为，处放大器与滤波器的总电压增益不大于,。根据设计要求，用改变电阻的方法实现截止频率可调；并用CD4052实现电阻网络控制，达到调
12、节的频率步进为；为了达到处放大器与滤波器的总电压增益不大于，采用二阶低通滤波器并加上适当的衰减，程控低通滤波器电路如图4所示，二阶RC低通滤波器的传输函数为 （3-1）式中： 电压增益 低通滤波器截止角频率 品质因数由此公式来确定RC值是非常困难的，可以先通过查表法，先将电容C大小先确定下来，查表得C=10，再通过改变电阻阻值使得电压增益=1，以便于用Mutisim仿真软件进行仿真读数，从而确定电阻网络阻值，仿真后得到如表2所示的电阻网络的电阻阻值，由表2中数据可画出由CD4052够成的电阻网络如图5所示。图4 程控低通滤波器电路表2 电阻网络的电阻仿真数值截止频率电阻网络阻值截止频率电阻网络
13、阻值115.8562.56527.872.21535.281.9143.9391.69553.13101.525111.29616962121.18417907131.16318851141.101198111510.3220772图5由模拟开关CD4052组成的低通滤波器电阻网络3.2.2 程控高通滤波器高通滤波器其截止频率在范围内可调，调节的频率步进为，处放大器与滤波器的总电压增益不大于,。根据设计要求，用改变电阻的方法实现截止频率可调；并用CD4052实现电阻网络控制，达到调节的频率步进为；为了达到处放大器与滤波器的总电压增益不大于，采用二阶低通滤波器并加上适当的衰减，程控高通滤波器电路如图6所示。二阶RC高通滤波器的传输函数为 （3-2）式中： 电压增益 高通滤波器截止角频率 品质因数由此公式来确定RC值是非常困难的，可以先通过查表法，先将电容C大小先确定下来，查表得C=10，再通过改变电阻阻值使得电压增益=1，以便于用Mutisim仿真软件进行仿真读数，从而确定电阻网络阻值，仿真后得到如表所示的电阻网络，由表3中数据可画出由CD4052够成的电阻网络如图7所示。图6程控高通滤波器电路表3 电阻网络的电阻仿真数值截止频率电阻网络截止频率电阻网络115.896K111.23K27.6
