1、程控濾波器摘要：本系統以單片機和FPGA為控制核心，設計并制作了基于開關電容濾波器的程控濾波器。該濾波器具有高通、低通和帶通功能，截止頻率在1KHz30KHz范圍內步進可調。前級放大器采用可控增益放大器實現了增益變化范圍為-13dB67dB，開關電容濾波器芯片實現了截止頻率數字可調，采用無源LC網絡實現了四階橢圓低通濾波器，利用高速D/A和有效值檢波電路實現了幅頻特性測試儀。此外，系統還擴展了相頻特性測試功能。關鍵字：開關電容濾波器 可控增益放大器 幅頻特性測試 一、 方案比較與論證1、 題目要求本系統要求設計并制作一個程控濾波器。綜合分析，本系統的設計可以細分為以下幾個部分：放大器模塊、濾波

2、器模塊、幅頻特性測試模塊、人機交互模塊。2、 方案比較（1） 放大器模塊方案一：采用儀表放大器實現。單片儀表放大器（如AD620）增益可以在11000倍之間可調。通過改變儀表放大器的反饋電阻，從而改變放大器的增益。但是其單位增益帶寬積只有12MHz，不能滿足系統要求的放大器的通頻帶特性。方案二：采用D/A衰減器實現。利用可編程放大器的思想，先將輸入的交流信號放大1000倍，再將其作為D/A的基準電壓，這時的D/A作為一個程控衰減器。但是用于控制的數字量與所需的增益(dB)不成線性關系而是指數關系，造成增益調節不均勻，精度下降。方案三：采用可控增益放大器實現。可控增益放大器（如AD605）內部由

3、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電壓決定；而這個參考電壓可通過單片機進行運算并控制D/A芯片輸出控制電壓得到，從而實現較精確的數控。AD605的通頻帶為40MHz，由兩級AD605級聯，其增益動態調節范圍可達96dB。綜上所述：采用可控增益放大器，增益連續可調，電路簡單，通頻帶完全滿足題目要求。所以我們采用方案三。（2） 濾波器模塊本系統要求設計并制作截止頻率可調的低通和高通濾波器以及一個四階橢圓低通濾波器。方案一：采用數字濾波器。利用MATLAB的數字濾波器設計軟件設計FIR或者IIR濾波器，

4、然后在FPGA中用Verilog語言來實現。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，必須使用不同的參數，設計起來軟件量比較大。方案二：采用有源RC濾波器。利用運算放大器和電阻、電容等分立元件構造低通和高通濾波器，然后通過繼電器或模擬開關來切換不同的電阻值和電容值，借此改變濾波器的截止頻率。該方案簡單易行，但是為了達到系統的基本要求，必須設計20多套參數來進行切換，硬件復雜，可操作性不強。方案三：采用無源LC濾波器。利用電感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，可以比較容

5、易的設計出理想的濾波器。但是如果要截止頻率可調，只有改變電感電容參數，硬件會非常復雜。方案四：采用開關電容濾波器。開關電容濾波器是由MOS開關、MOS電容和MOS運算放大器構成的一種大規模集成電路濾波器。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的等效電阻。式中C為開關電容組的電容，為該濾波的時鐘頻率。當用外部時鐘改變時，等效電阻R 改變，從而改變了濾波器的時間常數，也就改變了該低通濾波器的通頻帶。此方案操作比較簡單，而且目前市場上有集成的開關電容濾波器芯片（如MAX263,MAX297等），使用這些集成芯片，可以很大程度上節約設計時間，提高系統精度。綜上所述：我們決定采用方

6、案四，利用集成芯片MAX297實現基本要求中的低通濾波器，利用MAX263實現高通濾波器。采用方案三，利用無源LC濾波器技術來實現四階橢圓低通濾波器。3、 系統總體設計方案與實現框圖本系統采用可控增益放大器AD605作為放大器模塊的核心，在輸入信號進入AD605之前，先經一級前級放大。然后在AD605之后再接后級放大，實現13dB67dB之間的增益調節。采用開關電容濾波器MAX297和MAX263實現截止頻率在1KHz50KHz范圍內可調的低通和高通濾波器，采用無源LC濾波器的方法實現四階橢圓低通濾波器，采用有源RC濾波器實現帶通濾波器，放大器輸出的信號通過濾波器后加在1K的負載上，各濾波器的

7、輸出切換用繼電器來實現。本系統采用DAC904實現掃頻信號輸出，掃頻信號通過濾波器后再經有效值檢波（AD637）電路和測相電路后實現幅頻特性和相頻特性的測量。系統總體實現框圖如圖1所示,DAC904電路、帶通濾波器、有效值檢波電路、測相電路見附錄1圖5圖8所示。圖1 系統總體實現框圖二、 理論分析與電路設計1、 放大器部分我們以可控增益放大器AD605為核心來實現系統前級放大器。根據題目要求，放大器輸入正弦信號幅值為10mV，基本部分要求電壓增益為40dB，發揮部分要求電壓增益為60dB，所以放大器輸出電壓最大幅值為10V。而AD605輸出電壓幅值一般在1.5V以下，并且AD605處于衰減工作

8、狀態時比較穩定，所以我們在信號進入AD605之前，先進行一級前級放大，放大增益為15dB，然后將兩級AD605級聯，將其增益設置在-28dB32dB的變化區間。這樣前面兩級電路輸出電壓的調整范圍為13dB47dB。在AD605之后，我們再通過繼電器切換三級放大電路，放大增益分別為0dB，10dB，20dB。這樣系統前級放大器的增益在13dB67dB之間能以10dB步進可調。放大器增益范圍在13dB47dB之間時，用16位串口D/A MAX542輸出電壓控制AD605的增益控制端，其增益步進可以達到0.1dB。其具體電路原理圖見附錄1圖9所示。2、 濾波器部分（1）低通濾波器我們利用MAX297

9、來實現基本要求中的低通濾波器。這種開關電容濾波器是由帶有求和和換算功能的開關電容積分器對一梯形無源濾波器網絡進行模擬構成的。該器件時鐘頻率與通帶之比為50:1，改變其時鐘頻率，其通頻帶可從0.1Hz 變化到50kHz，完全滿足題目的設計要求。使用MAX297時，當信號頻率和采樣頻率同頻，且相位合適時，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情況。因此在采樣電容上產生一個直流信號，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，也會出現相同的現象。要去除這種現象，須限制輸入信號的范圍，使之小于開關電容濾波器的采樣頻率（時鐘頻率）。所以在使用MA

10、X297時，在其前面，要增加模擬低通濾波器，把采樣頻率及其以上的高頻信號有效地排除。在其后面，也要增加低通濾波器，濾去信號的高頻分量，使波形更加平滑。MAX297的完整電路原理圖見附錄1圖10所示。（2）高通濾波器部分我們利用開關電容濾波器芯片MAX263來實現基本要求中的高通濾波器。該芯片的內部結構原理與MAX297相似，但它的中心頻率與Q值是對外置引腳進行編程來控制的。我們將MAX263的Q值設置為0.790，比值設置為185.35。然后通過改變外部時鐘來控制高通濾波器的3dB截止頻率。其具體電路原理圖見附錄1圖11所示。（3）橢圓低通濾波器部分系統要求制作一個四階橢圓型低通濾波器，帶內起

11、伏1dB，-3dB通帶為50kHz，我們采用無源LC橢圓低通濾波器來實現。從電子濾波器設計手冊上查表得四階橢圓無源濾波器在，時，相應的歸一化參數如下：取無源濾波器的端間匹配阻抗為，截止頻率代入公式 其中表示歸一化的電容值、電感值；表示以處為通帶3dB衰減的低通濾波電路中所對應的電容值、電感值。經計算結果如下：將上述值轉換成標稱值后，得到的電路原理圖如圖2所示：圖2 四階橢圓低通濾波器電路原理圖 圖3 在Multisim中的仿真波形圖3是其在Multisim中的仿真波形。從仿真波形上看，該濾波器的通帶波動寬度，截止頻率為50.65KHz，在200K處衰減56.45dB，滿足題目要求。三、 系統軟

12、件的設計系統軟件的設計主要有三個部分：（1）設置放大器的增益，控制高低通濾波器的切換并設定其截止頻率；（2）幅頻特性測試，產生DDS信號的頻率控制字，控制頻率步進，測量并顯示信號通過濾波器后的幅值信息和相位信息。（3）人機交互。系統軟件流程圖如圖4所示：圖4 系統軟件流程圖四、 系統測試與分析1、測試使用儀器及型號直流穩壓穩流電源： 型號SG1733SB3A60M數字存儲示波器： 型號TEKTRONIX TDS1002低頻數字信號源： 型號IWATSU SG-4105數字合成高頻信號發生器：型號SP1461萬用表： 型號FLUKE 17B低頻毫伏表： 型號 XJ21822、測試方法與測試數據（

13、1）放大器測試測試方法：放大器輸入端輸入峰值為10mV的正弦信號，將放大器增益設置為40dB，從100Hz開始增大輸入信號的頻率，用示波器測試放大器的通頻帶。然后將輸入信號的頻率固定為10KHz，預置放大器增益，用低頻毫伏表測試其實際增益，計算增益誤差，并檢驗增益步進。測試結果：預置增益實測增益相對誤差波形失真情況10dB10.1031.03無明顯失真40dB40.0000無明顯失真60dB60.0000無明顯失真放大器的通頻帶為：21Hz146KHz。（2）濾波器測試測試方法：將放大器增益設置為40dB，濾波器設置為低通濾波器，預置濾波器的截止頻率，用低頻毫伏表和示波器測試其實際截止頻率，計

14、算相對誤差，并檢測截止頻率步進和處的電壓總增益。高通濾波器的測試方法同上。橢圓濾波器的測試，將放大器的增益設置為40dB，用低頻毫伏表和示波器測量其通帶起伏，-3dB截止頻率和200KHz的總電壓增益。測試結果：低通濾波器：預置截止頻率實測截止頻率相對誤差處的電壓總增益1KHz1.000KHz0幾乎為0，只有Vpp約15mV的噪聲10KHz10.000KHz0同上20KHz20.004KHz0.02%同上高通濾波器：預置截止頻率實測截止頻率相對誤差處的電壓總增益1KHz1.000KHz027.16 dB10KHz10.000KHz027.16 dB20KHz19.900KHz0.526.93

15、dB橢圓低通濾波器：通帶起伏：PRW=20log（1.96/1.86）dB= 0.455dB，-3dB截止頻率為51KHz，在200KHz的電壓總增益為1.93dB。（注：以上詳細測試數據見附錄2）（3）幅頻特性與相頻特性測試用幅頻特性測試儀和相頻特性測試儀測量橢圓濾波器的頻帶特性，在LCD液晶屏上可以很清楚的觀測到幅頻特性曲線和相頻特性曲線。3、數據誤差分析本系統引入誤差的因素主要有以下幾個：放大器的非線性誤差，開關電容濾波器引入的損耗。關鍵是布板的問題。五、 總結分析與結論本系統較好的完成了題目基本部分及發揮部分的所有要求，系統整體性能良好。此外，系統對題目的各項指標都做了進一步的延拓，增

16、大了放大器的增益調節范圍，擴寬了濾波器的可調截止頻率范圍。系統還擴展了相頻特性測試儀。六、 參考文獻【1】全國大學生電子設計競賽組委會（編）全國大學生電子設計競賽獲獎作品精選（2005）北京：北京理工大學出版社，2007【2】陸明達.開關電容濾波器的原理與設計. 北京：科學出版社【3】夏宇聞. Verilog數字系統設計教程. 北京：北京航空航天大學出版社【4】阿瑟.B.威廉斯（著）電子濾波器設計手冊北京：電子工業出版社，1986【5】加博C.特默斯（著）現代濾波器理論與設計北京：人民郵電出版社，1982【6】M.S.高西（著）現代濾波器設計有源RC和開關電容北京：科學出版社【7】Schild

17、t,H.（著）C語言大全（第四版）北京：電子工業出版社，2002 七、 附錄1、 電路原理圖 圖5 DAC904電路原理圖圖6 帶通濾波器電路原理圖圖7 有效值檢波電路原理圖圖8 測相電路原理圖圖9 前級放大電路原理圖圖10 MAX297低通濾波器電路圖圖11 MAX263高通濾波器電路圖2、 測試數據（1）放大器測試數據：預置增益實測增益相對誤差波形失真情況0dB0.506dB有噪聲10dB10.103dB1.03%無明顯失真20dB20.090dB0.45%無明顯失真30dB29.990dB0.03%無明顯失真40dB40.000dB0無明顯失真50dB50.050dB0.017%無明顯失

18、真60dB60.000dB0無明顯失真（2）濾波器測試數據低通濾波器：預置截止頻率實測截止頻率相對誤差處的電壓總增益1KHz1.000K0幾乎為0，只有Vpp約15mV的噪聲3KHz3.000K0同上5KHz5.000K0同上8KHz8.002K0.025同上10KHz10.000K0同上15KHz15.004K0.026同上20KHz20.004K0.02同上30KHz30.005K0.017同上40KHz40.000K0同上高通濾波器：預置截止頻率實測截止頻率相對誤差處的電壓總增益1KHz1.000K027.16dB3KHz3.000K027.31dB5KHz5.000K027.238KHz8.000K027.2310KHz10.000K027.1615KHz14.850K1%27.0820KHz19.900K0.5%26.9325KHz25.000K026.53橢圓低通濾波器頻率100Hz1KHz3KHz5KHz7KHz9KHz11KHz13KHz15KHzVpp1.86V1.90V1.90V1.90V1.90V1.90V1.88V1.88V1.88V頻率17KHz19KHz21KHz23KHz25KHz27