1、基于單片機和fpga設計的程控濾波器 以和可編程規律器件（）為控制核心，設計了一個程控，實現了小信號程控放大、程控調節濾波器截止頻率和幅頻特性測試的功能。其中放大模塊由可變增益ad603實現，最大增益60db，10db步進可調，增益誤差小于1%。程控濾波模塊由max297低通濾波、tlc1068高通濾波及橢圓構成，濾波模式用模擬開關挑選。本系統程控調節有源濾波的-3db截止頻率，使其在130khz范圍內可調，誤差小于1.5%。此外，采納有效值采樣芯片ad637及12位并行a/d轉換器max120實現了對掃頻信號幅度的測量。濾波器是一種用來消退干擾雜訊的器件，可用于對特定頻率的頻點或該頻點以外的

2、頻率舉行有效濾除。它在領域中占有很重要的地位，在信號處理、抗干擾處理、電力系統、抗混疊處理中都得到了廣泛的應用。而對于程控濾波器，該系統的最大特點在于其濾波模式可以程控挑選，且-3 db截止頻率程控可調，相當于一個集多功能于一體的濾波器，將有更好的應用前景。此外，系統具有幅頻特性測試的功能，并通過顯示頻譜特性，可直觀地反應濾波效果。1 計劃論證與挑選1.1 可變增益放大模塊的設計與論證計劃1：數字電位器控制兩級ina129級聯。用fpga控制數字電位器ds1267使其輸出不同的阻值，作為高精度儀表放大器ina129的反饋。通過控制數字電位器來轉變ina129的放大倍數，從而實現放大器的增益可調

3、。計劃2：采納可變增益放大器ad603實現。可變增益放大器內部由r-2r梯形電阻網絡和固定增益放大器構成，加在其梯型網絡輸入端的信號經衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考打算；可通過單片機控制，由產生精確的參考電壓控制增益，從而實現較精確的數控。因為輸入的正弦小信號振幅10 mv，電壓增益60 db，10 db步進程控可調，且電壓增益誤差不能大于5。對精度而言兩個計劃都可實現，在ad603后再加一級放大也可實現60 db的放大倍數。但數字電位器內部結構復雜，有影響，后級接運放后會帶來意想不到的后果，因此采納計劃2。1.2 濾波器模塊的設計與論證計劃1：采納數字濾波器。

4、利用matlab的數字濾波器設計fir或者iir濾波器。數字濾波器具有精度高，截止特性好等優點。但是fir濾波器會占用太多fpga資源，iir濾波器設計時工作量大且穩定性不高，且要使截止頻率可調，必需用法不同的參數，設計起來軟件量比較大。計劃2；采納無源lc濾波器。利用和電容可以搭建各種類型的濾波器。參照濾波器設計手冊上的相關參數，可以比較簡單地設計出抱負的濾波器。但是假如要截止頻率可調，惟獨轉變電感電容參數，硬件會十分復雜。計劃3：采納集成的開關電容濾波器芯片。開關電容濾波器是由mos開關、mos電容和mos構成的一種大規模濾波器。其開關電容組在時鐘頻率的驅動下，可以等效成一個和時鐘頻率有關

5、的等效電阻。當用外部時鐘轉變時，等效電阻轉變，從而轉變了濾波器的時光常敦，也就轉變了濾波特性。開關電容濾波器可以挺直處理模擬信號，而不必像數字濾波器那樣需要ad、da變換，簡化了設計，提高了系統的牢靠性。綜上所述，本系統采納計劃3，利用集成芯片max297實現低通濾波器，利用ltc1068實現高通濾波器；采納計劃2，利用無源lc濾波器技術來實現四階橢圓低通濾波器。2 系統總體設計計劃及實現方框圖本系統以單片機及fpga為控制核心，由可控增益放大模塊、程控濾波模塊和幅頻特性測試模塊構成。系統框圖1所示。輸入振幅為1 v的信號經分壓網絡衰減后變成振幅10 mv的小信號，經opa690前級放大2倍，

6、同時起到阻抗變換和隔離的作用。與此同時由ad9851產生一設定頻率的正弦信號，通過模擬開關挑選一道送到后級。信號由程序控制ad603舉行060db的可調增益放大后，送入濾波模塊。濾波模塊包括低通、高通、橢圓濾波器，其中低通、高通由程序控制-3 db截止頻率在130 khz范圍內可調，步進1khz。橢圓濾波器截止頻率50 khz。再通過模擬開關挑選某一特定濾波信號輸出，經有效值檢波和ad轉換后送入fpga舉行幅頻特性的測試，再用兩塊dac0800實現幅頻特性曲線的顯示。3 主要功能電路設計3.1 放大模塊放大模塊的詳細電路2所示。第一部分是一個分壓網絡，其中前4個電阻將輸入信號衰減100倍，并與

7、信號源內阻共同構成51阻抗，后面的51為匹配電阻。其次部分采納opa690將小信號放大2倍，同時起到阻抗變換和隔離的作用。因為ad603輸入阻抗為100，所以在后面串接一個100 的電阻舉行匹配。第三部分即為ad603可變增益放大，它的增益隨著控制電壓的增大以db為單位線性增長。1腳的參考電壓通過單片機舉行運算并控制dac芯片輸出電壓來得到，從而實現精確的數控。增益g(db)=40vg+g0，其中vg為差分輸入電壓，范圍-500500mv；g0是增益起點，接不同反饋網絡時也不同。在5、7腳間接一個5k的電位器，從而轉變。3.2 高通濾波模塊ltc1068是低噪聲高精度通用濾波器，當其用于高通濾

8、波時，截止頻率范圍1 hz50 khz，并且直至截止頻率的200倍都無混疊現象。因為ltc1068的4個通道都是低噪聲、高精度、高性能的2階濾波器，因此每個通道只要外接若干電阻就可以實現低通、高通、帶通和帶阻濾波器的功能。詳細電路3所示。其中b端口q值057，a端口q值約為1。在電路的調試中發覺，a口的q值需比b口q值大，否則信號在截止頻率處幅值會有上翹。ltc1068的時鐘頻率與通帶之比為200：1，因為ltc1068內部對時鐘信號clk二倍頻，所以當截止頻率最小為1 khz時，內部時鐘頻率其實為400khz，故在ltc1068后面再加一個截止頻率為450khz的低通濾波器以濾除分頻帶來的噪

9、聲及高次諧波。3.3 低通濾波模塊用max297實現低通濾波器。開關電容濾波器max297可以設置為8階低通橢圓濾波器，阻帶衰減為-80db，時鐘頻率與通帶頻率之比為50：1。通過轉變clk的頻率，即可滿足濾波器-3 db截止頻率在120khz范圍內可調，步進1 khz的要求。在用法max297時要注重的是，當信號頻率和采樣辨率同頻，開關電容組在電容上各次采到相同的幅度為信號幅值的信號，相當于輸入信號為直流的狀況，使濾波器輸出一個直流電平。同理，當信號頻率為采樣頻率的整數倍時，也會浮現相同的現象。為此，在其前面，要增強模擬低通濾波器，把采樣頻率及其以上的高頻信號有效地排解。故又用一級max29

10、7，截止頻率設置為50khz。其中時鐘頻率設置為25 mhz。在其后面，也要增強低通濾波器，其截止頻率為150 khz，以濾去信號的高頻重量，使波形越發平滑。詳細電路4所示。3.4 四階橢圓低通模塊系統要求制作一個四階橢圓型低通濾波器，帶內起伏1 db，-3 db通帶為50 khz，采納無源lc橢圓低通濾波器來實現。用filter sol ution模擬濾波器，隨后在中再模擬仿真并調節電容、電感的參數使其為標稱值。此外，在橢圓濾波器前后接射級尾隨器避開前后級影岣。詳細電路5所示。4 系統軟件設計系統軟件設計由單片機和fpga組成，用戶可以通過界面的顯示挑選高通、低通和橢圓濾波器，可以設置截止頻

11、率，同時可以顯示幅頻曲線。其中單片機主要完成用戶的輸入輸出處理和系統控制，fpga主要完成的功能有：控制ad9851產生掃頻信號、控制濾波器截止頻率的時鐘信號的產生以及控制兩塊da以顯示幅頻特性曲線。程序流程圖6所示。5 測試計劃與測試結果5.1 放大器測試放大器輸入端的正弦信號頻率為10 khz，振幅為10 mv，設定增益大小分離為10、20、30、40、50、60db，用示波器測量實際輸出幅值，計算出實際增益，其誤差小于1。此外，測得放大器通頻帶為1200khz。5.2 低通、高通濾波器測試將放大器增益設置為40db，濾波器設置為低通濾波器，預置濾波器截止頻率在130 khz范圍，步進為1khz。用示波器測量實際截止頻率，計算相對誤差小于15，且2fc處的電壓總增益小于20db。高通濾波器測試辦法同理。5.3 橢圓濾波器測試放大器增益設置為40 db，用示波器測量實際-3 db截止頻率和200 khz處的總電壓增益。測得fc=500khz，在150 khz處幅度就已幾乎衰減到0。5.4 幅頻特性與相頻特性測試測量低通、高通濾波器的頻率特性，在示波器上顯示其幅頻特性曲線，與所設置的濾波模式及截止頻率相符。6 結束語本系統放大器增益范圍1060 db，通頻帶1200 khz，增益誤差小于1。濾波器截止頻率范圍130khz，誤差小于15。橢圓濾波器截止頻率誤差為0，在150