解讀FPGA設計程控濾波器系統電路

　　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。

　　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。

　　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1Hz～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。

　　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150kHz，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。

　　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50kHz，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。

　　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。

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