一種新型程控濾波器的設計

2 系統總體設計方案
系統總體設計包括數字和模擬兩大部分。其中，數字部分包括單片機及FPGA中的放大器增益控制、時(shí)鐘頻率生成以及頻率特性測量與顯示3個(gè)模塊；而模擬部分包括放大器、濾波器和幅頻特性測試儀3個(gè)模塊。其中放大器模塊通過(guò)三級放大實(shí)現0～60 dB的增益調節，濾波器模塊包括由集成濾波器MAX263構成的低通和高通濾波器以及自行設計的橢圓濾波器，而幅頻特性測試儀模塊則由DDS掃頻信號源、有效值檢波及A／D轉換電路構成。詳細的系統組成框圖如圖1所示。

3 理論分析與計算
3．1 可變增益放大器控制信號
選用ADI公司的AD603作為可變增益放大器，該器件的增益與控制電壓的關(guān)系：GAIN(dB)=40Vg+10，Vg為控制電壓，改變范圍為1 V。選用16位D／A轉換器MAX542，用于給出雙極性的控制電壓，基準源取2．5 V，理論上增益步進(jìn)的最小值為0．003 dB。
3．2 開(kāi)關(guān)電容濾波器
3．2．1 確定濾波器Q值
采用MAXIM公司的集成開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX263，它可以通過(guò)外接引腳編程設置濾波器的Q值。Q值與帶內最大增益G(V/V)之間的關(guān)系為C=Q／[1一(1／4Q2)]1/2，為使帶內盡量平坦，則使G=1，代入公式可得p=0．707，故可將濾波器的Q值設置在O．707左右。
3．2．2 頻譜混疊現象
由于時(shí)鐘信號的存在，開(kāi)關(guān)電容濾波器相當于一個(gè)采樣系統，滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理。由于MAX263內部對時(shí)鐘信號elk二分頻，故clk/4附近及以上的信號都存在頻譜混疊現象，從而使輸出波形產(chǎn)生失真。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要加大clk與截止頻率的比值，使輸入信號的頻段遠離時(shí)鐘信號所在頻段。

4 系統硬件設計
4．1 放大器電路
放大器電路分為三級。第一級采用低噪聲運放進(jìn)行固定增益放大，以提高輸入信號的信噪比；中間級采用可變增益放大器AD603，動(dòng)態(tài)增益范圍為30 dB；后級為兩檔程控放大，增益之差為30 dB，實(shí)現0~60 dB的增益范圍。其電路如圖2所示。

4．2 四階橢圓低通濾波電路
該電路為L(cháng)C無(wú)源電路，如圖3所示。根據濾波器設計手冊中的歸一化設計表格，查表得到所需要的電容電感值。實(shí)際測試結果為：帶內擺幅小于0．5 dB，截止頻率50 kHz左右。

5 系統軟件設計
系統軟件設計部分遵循結構化和層次化的設計原則，由主程序及若干子程序構成。子程序主要完成放大器增益設置、濾波器參數設置、幅頻特性測試及人機交互等功能，主程序則通過(guò)調用子程序控制時(shí)序。該程序以按鍵中斷為主線(xiàn)，以各項功能作為分支，程序流程圖如圖4所示。

6 測試結果
本系統需要測試的數據主要是放大器的電壓增益和濾波器一3 dB的截止頻率。測試放大器增益時(shí)，利用毫伏表測出放大器輸入及輸出信號的有效值，將算出的增益與程序預置值相比較；測試濾波器截止頻率時(shí)，改變輸入信號的頻率，同時(shí)利用毫伏表測出濾波器輸出及輸入信號的有效值，直到兩者之比為一3 dB時(shí)記錄頻率值，然后再與預置值相比較。對放大器增益的測試。取選100 Hz，1 kHz，40 kHz 3個(gè)頻率點(diǎn)來(lái)測試放大器增益，將預置增益和實(shí)際增益相比較。其中100Hz和1 kHz處的增益誤差小于l％，40 kHz處的增益誤差小于2％。
對截止頻率的測試。在給出的10組預置值中，將實(shí)測值與預置值進(jìn)行比較。測試結果表明，低通模式下截止頻率的誤差小于2．2％，高通模式下截止頻率的誤差小于2．5％。

7 結語(yǔ)
本系統設計實(shí)現了預期的基本功能和指標，并且擴展了在示波器上顯示幅頻特性曲線(xiàn)的功能，同時(shí)擴大了截止頻率調節范圍，縮小了步進(jìn)量。當然，本系統還存在某些不足，其中，高通濾波器輸出波形在某些頻率點(diǎn)有較明顯失真；放大器輸出波形在幅值較小時(shí)信噪比較低。