《2022年程控滤波器设计方案曾国平》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年程控滤波器设计方案曾国平（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、个人资料整理仅限学习使用泉州师范学院毕业论文 的信号经衰减后, 由固定增益放大器输出 , 衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关, 而仅与其差值 VG 有关 , 由于控制电压GPOS/ GNEG 端的输入电阻高达50M , 因而输入电流很小, 致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图2 中的“滑动臂”从左到右是可以连续移动的。当 VOU T 和 FDB K 两管脚的连接不同时, 其放大器的增益范围也不一样。当脚5 和脚 7 短接时 , AD603 的增益为40Vg + 10 , 这时的增益范围在- 10 + 30dB
2、。当脚 5 和脚 7 断开时 , 其增益为40Vg + 30 ,这时的增益范围为10 50dB 。如果在5 脚和 7 脚接上电阻 , 其增益范围将处于上述两者之间。AD603 的增益控制接口的输入阻抗很高, 在多通道或级联应用中, 一个控制电压可以驱动多个运放。同时 , 其增益控制接口还具有差分输入能力, 设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。图 1 ad603原理图1.1.2.3 AD603 的引脚功能3 1 脚： gpos 增益控制输入“高”电压端正电压控制）2 脚： geng 增益控制输入“低”电压端负电压控制）3 脚： vinp 运放输入4 脚： comm 运放公共端5 脚：
3、fdbk 反馈端精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用6 脚： vneg 负电源输入7 脚： vout 运放输出8 脚： vpos 正电源输入1.1.3ad603放大电路由于设计要将10mv的电压放大到10v，所以一级ad603 达不到增益要求。本设计采用二级 ad603 串联的接法，这样增益可达到60db. 考虑到ad603 输出电压有效值小于2v，所以在 ad603 末级要加个电压放大，同时提高带负载能力。本设计采用ths3091 组成功率放大电路进行末级电压放大.ths3061是一种电流型
4、反馈运放，可以做5 倍的功率放大。采用18v 电压供电，带宽不小于300mhz，其最大输出电流为200ma，若采用一级的ths3091最大电压峰峰达不到10v，所以本设计采用两片ths3091 进行并联，这样可以很好的达到设计要求。同时在 ad603 之前加一级射级跟随，以保证ad603 对输入阻抗的要求，这级射级跟随采用 opa642. 1.1.3.1 ad603部分电路原理图Ad603 电路设计如图2 所示 . J3输入的是来自opa642 射级跟随的信号. 通过对1 脚 2脚增益控制口电压的调整的可以实现ad603 的增益调整，电路中采用电位器实现对电压的调控。在3 脚和 4 脚间加一电
5、阻 .8 脚接 +5v 电源， 6 脚接 -5v 电源，采用双电源供电，电源的滤波不能缺少。实验中在5 脚和 7 脚间接了电位器，通过调节电位器可以使5 脚和 7 脚处于短路或者接电阻的状态，由前面对ad603 的介绍可知，ad603 的输出增益可以实现动态可调，并且调节范围大.7 脚为 ad603 信号输出 .Ad603 的 1 脚的电压调控采用单片机和da7512 来进行控制，通过按键设计步进，实现电压增益的调控4。单片机最小系统电路如图3 所示。图 2 ad603 部分电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 18 页个
6、人资料整理仅限学习使用图 3 单片机最小系统原理图采用 DA 转换器DAC7512是只有6 个引脚贴片，输出直接是所需电压，电路连接简单，占的空间非常小，DAC7512是 12 位串行数模转换，输入有2124096 个不同的二进制组态，输出为4096 个电压之一，精度非常高，时序也很简单，应用起来方便。 Da7512 原理图如图4 所示。1.1.3.2 opa642射级跟随电路射级电路如图5 所示 8 脚接 +5v 电源， 4 脚接 -5v 电源，采用双电源供电，同样要做好滤波， 4 脚和8 脚分别加稳压管进行稳压。测试结果，射级跟随器输出端出来的信号和输入的信号是几乎一样的，没有出现衰减.1
7、.1.3.3 ths3091功率放大电路6 功率放大电路如图6 所示 .Ad603 出来的信号经过rc 低通滤波器后进入ths3091 的正向 3 脚。通过调节Ths3091 2脚和 6 脚间的电阻可以对输出电压进行调整。输出端接50欧姆电阻，每片ths3091为其提供一半的电流。测试结果较好的实现了题目的要求，功率放大了将近5 倍，电压放大了10 倍。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用图 4 da7512原理图。图 5 opa642 射级跟随电路精选学习资料 - - - - - - - -
8、 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用图 6 ths3091 功率放大电路1.2 程控滤波器的设计1.2.1低通滤波器1.2.1.1 方案选择低通滤波器的设计有很多种，本设计采用的是max297开关电容滤波器芯片来进行低通滤波器的设计，该芯片具有较好的滤波效果，频带宽，出来信号波形好。下面对各种滤波方案进行分析。方案一：传统的rc 低通滤波器。该电路的设计比较简单，分有源rc 电路和无源的rc电路。有源的rc 电路效果相对要好于无源的rc 电路，而且也比较好调节截止频率。但是电路一旦确定后截止频率较难实现动态可调5。方案二： lc低通滤波
9、器。 Lc 低通滤波器的设计和rc 电路一样0 也是较为简单。Lc 滤波器设计遵循最少电感，多用电容，这样可以保证高q 值。但是很难实现截止频率的动态调整。方案三：采用adc 电路对输入信号采样，采样结果存到fpga 内部进行数字信号处理，设计滤波器的参数，从而改变滤波器的截止频率，处理后的数据通过dac 变换为模拟信号输出。此方案滤波过程数据化，灵活性高，性能优异，但硬件设计工作量大，软件实现也较为困难。方案四：采用集成的开关电容滤波器芯片7。开关电容滤波器是由mos开关、 mos电容和 mos 运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。特点：时钟频率一定时，开关电容滤波器的特性仅仅取决于电
10、容的比值，因此，电容的比值精度可达0.01 ，并且具良好的温度稳定性；电路结构确定后，开关电容滤波器的特性仅仅与时钟频率有关，改变时钟频率就可以改变其滤波器特性。由以上的方案对比可以看出方案四比较可行，所以本设计采用方案四进行滤波器的设计，使用芯片max297进行低通滤波器的设计。1.2.1.2 max297简介MAX297是 8 阶开关电容式低通椭圆滤波器，其滚降速度快，从通频带到阻带的过渡带精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用很窄。它由带有求和与换算功能的开关电容积分器模拟梯形无源滤波器网
11、络而构成，其时钟频率与通频带之比为50:1 ，改变时钟频率，通频带在01 Hz 50 kHz 范围内变化，增益在通频带内存在的 0.1 dB的波动。 Max297 一般采用 5v 双电源供电，有8 脚和 16 脚的，本实验采用的是8 脚双列直插，max297的引脚如图7 所示。各个引脚功能如下：1 脚： clk 时钟频率输入2 脚： v- 负电源输入3 脚： op out 4 脚： op in 5 脚： in 信号输入端6 脚： v+ 正电源输入7 脚： gnd 地端8 脚： out 信号输出端图 7 max297 引脚图：1.2.1.3 max297电路设计设计时，尤其要注意MAX297的使
12、用，当信号频率和时钟频率同频，且相位合适时，开关电容组在电容上依次采集幅度相同的信号为幅值信号，相当于输入直流信号。因此采样电容产生直流信号，使得滤波器输出也直流电平。同理，当信号频率为采样频率的整数倍时，也会出现相同现象。要除去这种现象，须限制输入信号范围，使之小于开关电容滤波器的采样频率，即时钟频率。因此在使用MAX297时应在其前面增加模拟低通滤波器，有效滤除采样频率及其以上的高频信号。而在其后面也应增加低通滤波器，滤除信号的高频分量，使波形更加平滑。电路原理图如图8 所示。图 8 低通滤波器电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第
13、 10 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用前级和后级模拟低通滤波器采用有源运放rc低通滤波器接法，设置的低通滤波器的截止频率为100khz. 运放采用的是lf356 ，这种集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid1091012）W ，IIB为几皮安到几十皮安。用FET 作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。采用的是双列直插Lf356 ，电源脚为4 脚和 7 脚，采用 15v 双电源供电，同时做好电源滤波工作。 3 脚为信号输入端，经低通滤波器后的信号送入此脚，低通滤波器电路如图8中所示。反向输入端为
14、2 脚，运放输出顿为6 脚，具体的电路接法如图8 所示。时钟频率采用单片机来进行控制，以达到程控。单片机采用stc8051的话频率达不到系统的要求，外围晶振接11.0592mhz，输出地方波最大也只能达到68khz，即使换了频率更高的晶振，输出地最大频率只能到400khz 左右，而且出来的方波占空比达不到百分之五十，无法满足时钟频率到达2mhz 的要求。所以要选用功能更为强大单片机c8051f ，该芯片输出地方波可以达到2mhz，而且输出波形非常好，能满足系统要求8。1.2.2 高通滤波器采用开关电容滤波器MAX263实现高通滤波器。该器件内部结构与MAX297相似，但其中心频率f0 与 Q值
15、由外置引脚编程设置。将MAX263的 Q值设置为0 790,fclk/f0设置为18535。通过改变外部时钟fclk控制高通滤波器的3 dB 截止频率 f0 。1.2.3椭圆低通滤波器采用无源LC 椭圆低通滤波器实现，从滤波器设计手册上查表得四阶椭圆无源滤波器在 =19， s=3.311 时，相应归一化参数：C1=1210 F ，C2=0062 42 F ， L2=1220 H，C3=1 891 F， L4=0846 9 H 。取无源滤波器的端间匹配阻抗为R=510 ，截止频率fp=50 kHz代入公式式中， Cn，Ln 表示归一化的电容值，电感值； Cn， Ln 表示以 fp 为通带3 dB
16、 衰减的低通滤波电路中所对应的电容值、电感值。计算结果为： C1=756F，C2=390 pF，L2=198 mH，C3=11 81F， L4=1.38 mH。将上述值转换为标称值后，得到图9所示的电路原理图。图 9 椭圆滤波电路2.系统软件的设计本系统软件的设计主要包括两部分：一是放大器增益部分的设计；二是时钟频率的设计。增益放大器控制部分采用单片机stc8051 结合 da7512 来进行调节，通过按键进行增益步进调控。滤波器的时钟频率可通过c8051f 来产生，通过设置相应按键实现截止频率的却换。具体实现流程图如图10 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结
17、 - - - - - - -第 11 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用图 10 软件流程图3.硬件测试结果3.1 增益放大器测试结果用信号源在放大器输入端输入峰值为10 mV 的正弦信号，在1Hz50 kHz 范围内，用双踪示波器检测放大器的通频带。预置放大器增益，用低频毫伏表测试输出信号的有效值并检测其实际增益，计算增益误差，检验增益步进。测试结果表明放大器的增益范围为060 dB ，步进为10 dB，增益误差小于05。通过 opa642 射级跟随器，ad603 电压增益， ths3091功率放大三部分电路的整合，很好的额实现了电压的增益放大。电压很好的从10mv 放大到了10v，实
18、现了60db 增益的要求，而且输出信号的波形也没有出现失真，波形保持的较为完好，为下一级的滤波做了较好的准备。3.2 低通滤波测试结果将放大器增益设置为60 dB ，输入信号为10 mV，选择低通滤波器模块，预置滤波器截止频率，用低频毫伏表和双踪示波器测试其实际截止频率，计算相对误差，并检测截止频率步进和电压总增益，检测到该处电压总增益不超过20 dB 。测试结果表明低通滤波器的截止频率在150 kHz 内可调，频率步进为1 kHz ，且截止频率误差小于2。程控滤波器的设计围绕max297开关电容滤波器芯片来进行，加上运放芯片lf356组成的前级和后级rc 低通滤波器，对输入信号进行整形滤波，
19、保证了进入到max297 信号的质量。同时采用单片机控制时钟频率，实现了滤波器的截止频率动态可调，真正的实现了低通滤波器的程控。测试结果如表1 所示。开始系统初始化可 控 增 益放大器低 通 滤 波器主菜单设 置 增 益倍数设 置 截 止频率返回高 通 滤波器椭 圆 滤 波器设 置 截 止频率精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用表 1 时钟频率 khz）-3db 截止频率 khz）通频带 Arthur B.Williams (美国 Fred J.Taylor. 电子滤波器设计【M 】, 译者
20、 : 宁彦卿姚金科 ,2008.6 童诗白 , 华成英 .模拟电子技术基础【M 】. 第三版 . 高等教育出版社,2002. 7 宁华申开关电容滤波器的设计与应用【J】邵阳学院学报：自然科学版，2004，1(1 ：26288 江健康 , 杨长林开关电容滤波器可编程时钟设计【J】. 计量技术 -2007 年 4 期. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用Experimental system programmable filterInstitute of Physics and Informa
21、tion. Engineering 06Electronics and Information Technology Professional. 060303017 Zeng GuoPing Faculty adviser Wu ZHiWei Lecturer 【Abstract 】By ad603 chip as the core to gain Amplifier ，realize the dynamic adjustment of output gain， dynamic gain range of 0-60db.By max297 chip as the core for the de
22、sign of programmable filter ， dynamically adjustable by the clock frequency to achieve the dynamic adjustable cutoff frequency.Performance meets the design requirements, to achieve the corresponding functions.【Keywords】 ad603； max297；ths3091；Filter 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页
23、，共 18 页个人资料整理仅限学习使用附录一 增益放大器相关图片1 增益放大器原理图2 增益放大器 pcb 电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用3 增益放大器设计实物图附录二 程控滤波器相关图片1 程控滤波器原理图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用2 程控滤波器 pcb 电路3 程控滤波器实物图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 18 页
