《程控滤波器》word版

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1、程控滤波器摘要：本系统以单片机和FPGA为控制核心，设计并制作了基于开关电容滤波器的程控滤波器。该滤波器具有高通、低通和带通功能，截止频率在1KHz～30KHz范围内步进可调。前级放大器采用可控增益放大器实现了增益变化范围为-13dB～67dB，开关电容滤波器芯片实现了截止频率数字可调，采用无源LC网络实现了四阶椭圆低通滤波器，利用高速D/A和有效值检波电路实现了幅频特性测试仪。此外，系统还扩展了相频特性测试功能。关键字：开关电容滤波器可控增益放大器幅频特性测试一、方案比较与论证1、题目要求本系统要求设计并制作一个程控滤波器。综合分析，本系统的设计

2、可以细分为以下几个部分：放大器模块、滤波器模块、幅频特性测试模块、人机交互模块。2、方案比较（1）放大器模块方案一：采用仪表放大器实现。单片仪表放大器（如AD620）增益可以在1～1000倍之间可调。通过改变仪表放大器的反馈电阻，从而改变放大器的增益。但是其单位增益带宽积只有12MHz，不能满足系统要求的放大器的通频带特性。方案二：采用D/A衰减器实现。利用可编程放大器的思想，先将输入的交流信号放大1000倍，再将其作为D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。但是用于控制的数字量与所需的增益(dB)不成线性关系而是指数关系，造成增益调节不

3、均匀，精度下降。方案三：采用可控增益放大器实现。可控增益放大器（如AD605）内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得到，从而实现较精确的数控。AD605的通频带为40MHz，由两级AD605级联，其增益动态调节范围可达96dB。综上所述：采用可控增益放大器，增益连续可调，电路简单，通频带完全满足题目要求。所以我们采用方案三。（2）滤波器模块本系统要求设计并制作截止频率可调的低通

4、和高通滤波器以及一个四阶椭圆低通滤波器。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。方案二：采用有源RC滤波器。利用运算放大器和电阻、电容等分立元件构造低通和高通滤波器，然后通过继电器或模拟开关来切换不同的电阻值和电容值，借此改变滤波器的截止频率。该方案简单易行，但是为了达到系统的基

5、本要求，必须设计20多套参数来进行切换，硬件复杂，可操作性不强。方案三：采用无源LC滤波器。利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器。参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易的设计出理想的滤波器。但是如果要截止频率可调，只有改变电感电容参数，硬件会非常复杂。方案四：采用开关电容滤波器。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。其开关电容组在时钟频率的驱动下，可以等效成一个和时钟频率有关的等效电阻。式中C为开关电容组的电容，为该滤波的时钟频率。当用外部时钟改变时，等效电阻R改变，从而改变了滤波器的时间

6、常数，也就改变了该低通滤波器的通频带。此方案操作比较简单，而且目前市场上有集成的开关电容滤波器芯片（如MAX263,MAX297等），使用这些集成芯片，可以很大程度上节约设计时间，提高系统精度。综上所述：我们决定采用方案四，利用集成芯片MAX297实现基本要求中的低通滤波器，利用MAX263实现高通滤波器。采用方案三，利用无源LC滤波器技术来实现四阶椭圆低通滤波器。1、系统总体设计方案与实现框图本系统采用可控增益放大器AD605作为放大器模块的核心，在输入信号进入AD605之前，先经一级前级放大。然后在AD605之后再接后级放大，实现－13dB～6

7、7dB之间的增益调节。采用开关电容滤波器MAX297和MAX263实现截止频率在1KHz～50KHz范围内可调的低通和高通滤波器，采用无源LC滤波器的方法实现四阶椭圆低通滤波器，采用有源RC滤波器实现带通滤波器，放大器输出的信号通过滤波器后加在1KΩ的负载上，各滤波器的输出切换用继电器来实现。本系统采用DAC904实现扫频信号输出，扫频信号通过滤波器后再经有效值检波（AD637）电路和测相电路后实现幅频特性和相频特性的测量。系统总体实现框图如图1所示,DAC904电路、带通滤波器、有效值检波电路、测相电路见附录—1图5—图8所示。图1系统总体实现框

8、图一、理论分析与电路设计1、放大器部分我们以可控增益放大器AD605为核心来实现系统前级放大器。根据题目要求，放大器输入正