基于單片機和FPGA設計的程控濾波器

　　以單片機和可編程邏輯器件(FPGA)為控制核心，設計了一個(gè)程控濾波器，實(shí)現了小信號程控放大、程控調整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放大器AD603實(shí)現，最大增益60dB，10dB步進(jìn)可調，增益誤差小于1%。程控濾波模塊由MAX297低通濾波、TLC1068高通濾波及橢圓低通濾波器構成，濾波模式用模擬開(kāi)關(guān)選擇。本系統程控調整有源濾波的-3dB截止頻率，使其在1~30kHz范圍內可調，誤差小于1.5%。此外，采用有效值采樣芯片AD637及12位并行A/D轉換器MAX120實(shí)現了對掃頻信號幅度的測量。

　　濾波器是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，可用于對特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除。它在電子領(lǐng)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(diǎn)在于其濾波模式可以程控選擇，且-3 dB截止頻率程控可調，相當于一個(gè)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(guò)示波器顯示頻譜特性，可直觀(guān)地反應濾波效果。

　　1 方案論證與選擇

　　1.1 可變增益放大模塊的設計與論證

　　方案1：數字電位器控制兩級INA129級聯(lián)。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的反饋電阻。通過(guò)控制數字電位器來(lái)改變INA129的放大倍數，從而實(shí)現放大器的增益可調。

　　方案2：采用可變增益放大器AD603實(shí)現?？勺冊鲆娣糯笃鲀炔坑蒖-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò )和固定增益放大器構成，加在其梯型網(wǎng)絡(luò )輸入端的信號經(jīng)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;可通過(guò)單片機控制，由DAC產(chǎn)生精確的參考電壓控制增益，從而實(shí)現較精確的數控。

　　由于輸入的正弦小信號振幅10 mV，電壓增益60 dB，10 dB步進(jìn)程控可調，且電壓增益誤差不能大于5%。對精度而言?xún)蓚€(gè)方案都可實(shí)現，在A(yíng)D603后再加一級放大也可實(shí)現60 dB的放大倍數。但數字電位器內部結構復雜，有電容影響，后級接運放后會(huì )帶來(lái)意想不到的后果，因此采用方案2。

　　1.2 濾波器模塊的設計與論證

　　方案1：采用數字濾波器。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(yōu)點(diǎn)。但是FIR濾波器會(huì )占用太多FPGA資源，IIR濾波器設計時(shí)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(lái)軟件量比較大。

　　方案2;采用無(wú)源LC濾波器。利用電感和電容可以搭建各種類(lèi)型的濾波器。參照濾波器設計手冊上的相關(guān)參數，可以比較容易地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(huì )非常復雜。

　　方案3：采用集成的開(kāi)關(guān)電容濾波器芯片。開(kāi)關(guān)電容濾波器是由MOS開(kāi)關(guān)、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(kāi)關(guān)電容組在時(shí)鐘頻率的驅動(dòng)下，可以等效成一個(gè)和時(shí)鐘頻率有關(guān)的等效電阻。當用外部時(shí)鐘改變時(shí)，等效電阻改變，從而改變了濾波器的時(shí)間常敦，也就改變了濾波特性。開(kāi)關(guān)電容濾波器可以直接處理模擬信號，而不必像數字濾波器那樣需要A/D、D/A變換，簡(jiǎn)化了電路設計，提高了系統的可靠性。

　　綜上所述，本系統采用方案3，利用集成芯片MAX297實(shí)現低通濾波器，利用LTC1068實(shí)現高通濾波器;采用方案2，利用無(wú)源LC濾波器技術(shù)來(lái)實(shí)現四階橢圓低通濾波器。

　　2 系統總體設計方案及實(shí)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。系統框圖如圖1所示。輸入振幅為1 V的信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò )衰減后變成振幅10 mV的小信號，經(jīng)OPA690前級放大2倍，同時(shí)起到阻抗變換和隔離的作用。與此同時(shí)由AD9851產(chǎn)生一設定頻率的正弦信號，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇一道送到后級。信號由程序控制AD603進(jìn)行0～60dB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1～30 kHz范圍內可調，步進(jìn)1kHz。橢圓濾波器截止頻率50 kHz。再通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇某一特定濾波信號輸出，經(jīng)有效值檢波和A/D轉換后送入FPGA進(jìn)行幅頻特性的測試，再用兩塊DAC0800實(shí)現幅頻特性曲線(xiàn)的顯示。

　　3 主要功能電路設計

　　3.1 放大模塊

　　放大模塊的具體電路如圖2所示。第一部分是一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò )，其中前4個(gè)電阻將輸入信號衰減100倍，并與信號源內阻共同構成51Ω阻抗，后面的51Ω為匹配電阻。第二部分采用OPA690將小信號放大2倍，同時(shí)起到阻抗變換和隔離的作用。由于A(yíng)D603輸入阻抗為100Ω，所以在后面串接一個(gè)100 Ω的電阻進(jìn)行匹配。第三部分即為AD603可變增益放大，它的增益隨著(zhù)控制電壓的增大以dB為單位線(xiàn)性增長(cháng)。1腳的參考電壓通過(guò)單片機進(jìn)行運算并控制DAC芯片輸出電壓來(lái)得到，從而實(shí)現精確的數控。增益G(dB)=40VG+G0，其中VG為差分輸入電壓，范圍-500～500mV;G0是增益起點(diǎn)，接不同反饋網(wǎng)絡(luò )時(shí)也不同。在5、7腳間接一個(gè)5kΩ的電位器，從而改變。

　　3.2 高通濾波模塊

　　LTC1068是低噪聲高精度通用濾波器，當其用于高通濾波時(shí)，截止頻率范圍1 Hz～50 kHz，并且直至截止頻率的200倍都無(wú)混疊現象。由于LTC1068的4個(gè)通道都是低噪聲、高精度、高性能的2階濾波器，因此每個(gè)通道只要外接若干電阻就可以實(shí)現低通、高通、帶通和帶阻濾波器的功能。具體電路如圖3所示。其中B端口Q值0.57，A端口Q值約為1。在電路的調試中發(fā)現，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(huì )有上翹。

　　LTC1068的時(shí)鐘頻率與通帶之比為200：1，由于LTC1068內部對時(shí)鐘信號CLK二倍頻，所以當截止頻率最小為1 kHz時(shí)，內部時(shí)鐘頻率其實(shí)為400kHz，故在LTC1068后面再加一個(gè)截止頻率為450kHz的低通濾波器以濾除分頻帶來(lái)的噪聲及高次諧波。

　　3.3 低通濾波模塊

　　用MAX297實(shí)現低通濾波器。開(kāi)關(guān)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(shí)鐘頻率與通帶頻率之比為50：1。通過(guò)改變CLK的頻率，即可滿(mǎn)足濾波器-3 dB截止頻率在1～20kHz范圍內可調，步進(jìn)1 kHz的要求。

　　在使用MAX297時(shí)要注意的是，當信號頻率和采樣辨率同頻，開(kāi)關(guān)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，使濾波器輸出一個(gè)直流電平。同理，當信號頻率為采樣頻率的整數倍時(shí)，也會(huì )出現相同的現象。為此，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。故又用一級MAX297，截止頻率設置為50kHz。其中時(shí)鐘頻率設置為2.5 MHz。在其后面，也要增加低通濾波器，其截止頻率為150 kHz，以濾去信號的高頻分量，使波形更加平滑。具體電路如圖4所示。

　　3.4 四階橢圓低通模塊

　　系統要求制作一個(gè)四階橢圓型低通濾波器，帶內起伏≤1 dB，-3 dB通帶為50 kHz，采用無(wú)源LC橢圓低通濾波器來(lái)實(shí)現。用Filter Sol ution模擬仿真濾波器，隨后在Multisim中再模擬仿真并調整電容、電感的參數使其為標稱(chēng)值。此外，在橢圓濾波器前后接射級跟隨器避免前后級影岣。具體電路如圖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(hù)可以通過(guò)界面的顯示選擇高通、低通和橢圓濾波器，可以設置截止頻率，同時(shí)可以顯示幅頻曲線(xiàn)。其中單片機主要完成用戶(hù)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(chǎn)生掃頻信號、控制濾波器截止頻率的時(shí)鐘信號的產(chǎn)生以及控制兩塊D/A以顯示幅頻特性曲線(xiàn)。程序流程圖如圖6所示。

　　5 測試方案與測試結果

　　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，設定增益大小分別為10、20、30、40、50、60dB，用示波器測量實(shí)際輸出幅值，計算出實(shí)際增益，其誤差小于1%。此外，測得放大器通頻帶為1～200kHz。

　　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1～30 kHz范圍，步進(jìn)為1kHz。用示波器測量實(shí)際截止頻率，計算相對誤差小于1.5%，且2fc處的電壓總增益小于20dB。高通濾波器測試方法同理。

　　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(shí)際-3 dB截止頻率和200 kHz處的總電壓增益。測得fc=50.0kHz，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(xiàn)，與所設置的濾波模式及截止頻率相符。

　　6 結束語(yǔ)

　　本系統放大器增益范圍10～60 dB，通頻帶1～200 kHz，增益誤差小于1%。濾波器截止頻率范圍1～30kHz，誤差小于1.5%。橢圓濾波器截止頻率誤差為0，在150 kHz處幅度幾乎衰減到0。誤差主要來(lái)源于時(shí)鐘頻率，當截止頻率為20 kHz的時(shí)候，所需最高的時(shí)鐘頻率為2MHz，不能保證很好的時(shí)鐘沿，而且時(shí)鐘頻率也不可能精確地控制，以及放大器的非線(xiàn)性誤差。此外，利用DAC0800和有效值檢波電路實(shí)現了幅頻特性測試儀，系統整體性能良好。整個(gè)系統在單片機和FPGA的有機結合、協(xié)同控制下，工作穩定，測量精度高，人機交互靈活。