程控滤波器 设计报告

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1、程控滤波器摘要：本系统以高性能单片机C8051F020最小系统为控制模块，采用低噪声高带宽单片仪表放大器INA103和开关电容滤波器芯片MAX262来完成程控滤波器的设计，并通过电阻网络的切换实现放大器的电压增益的10dB步进；高通滤波器和低通滤波器可通过模拟开关来切换，单片机对中心频率f0和品质因数Q进行独立编程控制，实现对滤波器的截止频率步进调节。本系统原理简单，人机交互界面良好，操作简单，各项指标达到了或超过了设计要求。关键词：程控，滤波器，开关电容，DDS一、方案论证与比较1.放大器模块设计任务要求放大器的电压增益为60dB,增益10dB步进可调

2、，通频带为100Hz～40KHz,即带宽为60MHz。根据设计任务，有以下三种方案可供参考。方案一：采用可变增益放大器AD603进行设计制作放大器。AD603具有低噪声，高频带宽度，稳定性能好等特点。它由电压增益控制区、无源输入衰减区和固定增益运放区三部分组成。通过调节增益控制输入电压VG即可实现增益可调，但控制VG进行精确的10dB步进比较困难，且AD603的供电电压为±5V，这限制了它的最大输出电压范围，难以达到设计要求。方案二：由电阻网络和普通运算放大器组成，如图1-1-1所示。由同相比例运算电路可以得出Vout=(Rf/Rd+1)Vs。取Rf=9

3、9K，Rd=1K，即Vout=100Vs,Vs通过开关S0~S4进行切换，各点输出电压分别为V0=Vin，V1=0.316Vin，V2=0.1Vin，V3=0.0316Vin，V4=0.01Vin。通过开关可以进行电压增益G的调节，放大倍数分别为100、31.6、10、3.16、1，即40dB、30dB、20dB、10dB、0dB。此方案原理简单，硬件电路容易搭建，易于焊接，但是对电阻的精密度要求很高，对运放的带宽和性能也有很高的要求，开关的闭合、断开对电路的影响也不容忽视，对电路的稳定性不利。图1-1-1步进放大器原理简图放大倍数增益（dB）RG(Ω)

4、1003.16102774102066731.630196方案三：采用低噪声、高精度的仪表放大器INA103进行放大器的设计制作。它具有非常宽的频带宽度和优越的动态响应特性。INA103外围电路非常简单，只需外接反馈电阻RG就可以对电压增益进行设置，由芯片使用手册可知增益与反馈电阻RG的关系式为G=1+6KΩ/RG,表1-1-1增益与RG值表1-1-1列出了常用增益值和RG近似值。INA103增益30dB时，带宽略大于2MHz。根据表1-1制作电阻网络，通过控制模拟开关选择反馈电阻，就可以实现增益10dB步进可调。9综上所述，方案一实现10dB步进可调比

5、较困难；方案二对电阻精度和运放要求较高，难以实现；方案三中选择的仪表放大器INA103带宽宽，性能高，能满足设计指标的要求。因此选择方案三。1.滤波器模块设计任务要求滤波器可设置为低通滤波器或高通滤波器，滤波器-3dB截止频率fC在1KHz～20KHz范围内可1KHZ步进可调，R=1KΩ。根据设计任务可有以下几种方案可供参考。方案一：用RC网络和集成运放搭建滤波器。根据参数要求计算出RC的值，组成RC网络，通过单片机控制开关的通断即选择不同R、C组合值来实现截止频率fC的步进可调，并通过开关进行低通滤波器和高通滤波器的切换。此方案原理简单明了，但是，截止

6、频率fC范围大，计算量大，电阻电容的标称值跟理论计算值有偏差，精度难以达到设计要求，RC网络数目过多，使得整个电路结构庞大，焊接工作量大，调试麻烦，且不利于系统的组装。方案二：采用双二阶开关电容有源滤波器芯片MAX262进行滤波器的设计。MAX262具有75KHZ中心频率范围，64步中心频率控制，128步品质因素Q控制，独立的中心频率和品质因素编程等特性。它有四种工作模式，可由单片机对工作模式，中心频率控制字和品质因数进行精确编程控制，实现不同的低通、高通滤波器。此方案硬件电路简单，电路稳定，控制易于实现，不必花太多时间在硬件调试上，为竞赛争取时间，但成

7、本相应有所增加。综合考虑采用方案二。同样，四阶椭圆型滤波器的设计也有如下两种方案。方案一：由RC网络和运算放大器组成椭圆低通滤波器。此方案原理简单，电路也简单，但电容和电阻的理论计算值和标称值存在偏差，精度难以达到设计要求。方案二：采用模拟可编程器件isPAC80，通过设计软件isPAC1.3完成四阶椭圆低通滤波器的设计和仿真。此方案所需外围电路少，且软件设计调试、修改比较方便，又采用仿真软件辅助设计，提高了设计精度。综合考虑，选择方案二。2.时钟产生方案由于采用专用滤波器芯片MAX262来完成设计，而MAX262工作需要外部时钟，又因为-3dB截止频率

8、fC在1KHz～20KHz范围内可1KHz步进，经计算知：当滤波器时钟固定时难以