基于MSP430和MAX262程控濾波器的設計與實(shí)現

在電子系統中，濾波器是數據采集、信號處理等方面不可缺少的重要環(huán)節，如信號采集前的噪聲濾除，D／A轉換輸出的“階梯狀”濾波等等。一般的有源濾波器由運算放大器、RC元件組成，但這種濾波器的截止頻率、Q值等參數都是固定不變的，在某些信號頻率動(dòng)態(tài)范圍較寬的場(chǎng)合就不適宜使用。因此，有必要采取多種截止頻率的濾波器，如程控濾波器，對動(dòng)態(tài)范圍較寬的信號進(jìn)行濾波。美國Maxim公司生產(chǎn)的可編程濾波器芯片MAX262可以通過(guò)編程進(jìn)行各種參數的設置，實(shí)現低通、高通、帶通、陷波等處理，且濾波的特性參數如中心頻率、品質(zhì)因素等，均可以通過(guò)程序設置。

　　本文介紹以低功耗單片機MSP430F449為控制核心，通過(guò)凌特公司數字頻率源芯片LTC69034產(chǎn)生時(shí)鐘信號精確控制MAX262，以及其與外圍電路構成能實(shí)現多種功能的新穎濾波器系統的設計。本設計最大特點(diǎn)在于數字頻率源LTC6903與MAX262的結合使用，以及MSP430具有的低功耗功能，當系統超過(guò)一定時(shí)間沒(méi)信號輸入時(shí)程序可以自動(dòng)關(guān)閉CPU進(jìn)入節能省電模式。

　　1 系統設計方案

　　系統方案設計如圖1所示，VCA810程控放大器作為信號輸入的前級放大，其增益由單片機控制D／A芯片TLV5616輸出電壓來(lái)調節，步進(jìn)精度可達1 dB，范圍在-40～40 dB。濾波模塊以可編程芯片MAX262作為核心，通過(guò)單片機MSP430和LTC69034程控時(shí)鐘信號芯片進(jìn)行截止頻率的低步進(jìn)調節以及品質(zhì)因素的智能控制。

圖1 系統設計原理框圖

　　本設計的特點(diǎn)之一在于MSP430具有低功耗性能，當系統末級超過(guò)一定時(shí)間沒(méi)有檢測到信號輸入時(shí)，程序將自動(dòng)關(guān)閉CPU并處于低功耗狀態(tài)，直到有信號輸入為止。這樣的設計能使系統更為節能，防止無(wú)用地消耗能源。此外，系統附加了幅頻特性測試模塊，掃頻信號由AD公司的AD9851來(lái)產(chǎn)生，頻率步進(jìn)精確到1 kHz。當信號從被測網(wǎng)絡(luò )輸出后通過(guò)AD637檢測到有效值，再采用MSP430F449內部集成的A／D模塊進(jìn)行采樣處理，最后驅動(dòng)雙口D／A在液晶顯示幅頻特性曲線(xiàn)。

　　2 硬件電路

　　2.1 前級放大模塊

　　系統前級采用VCA810程控放大芯片，該芯片具有-40～40 dB增益連續可調的放大功能，其增益可由單片機控制D／A芯片TLV5616輸出電壓Vc給VCA810的3號引腳來(lái)調節，具體增益與電壓的關(guān)系為：G（db）=-40·（Vc+1）dB。

　　如圖2所示，信號輸入系統經(jīng)過(guò)同相放大后輸出給后級，由于VCA810具有較寬的增益調節，對輸入信號幅度要求較小，可以根據實(shí)際的信號大小來(lái)控制放大器的增益倍數，因此本系統可以用于小信號的濾波。此外，VCA810的帶寬為25 MHz，故輸入的信號可以達到較高的頻率，大致可實(shí)現寬帶的放大濾波功能。在調試過(guò)程中，由于VCA81 0控制引腳對噪聲要求較高，尤其3號GAIN引腳對電壓波動(dòng)范圍需要在mV級別以?xún)?，因此必須在靠近VCA810的3號腳加上鉭電容10μF與0.1μF并聯(lián)進(jìn)行去耦，否則輸出的信號效果比較差。

圖2 前級VCA81程控放大電路

　　2.2 濾波疊模塊

　　MAX262具有A、B兩個(gè)二階開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，它由單片機精確控制濾波函數即可構成低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，且有外圍電路少、功能強大的優(yōu)點(diǎn)。MAX262可在程序控制下設置中心頻率fo，品質(zhì)因素Q以及濾波器的工作方式。截止頻率調節可有兩種方式，方案1是固定fCLK與fo的比率，改變fCLK來(lái)調節；方案2是外部電路采用固定晶振給CLK時(shí)鐘，改變fCLK與fo的比率關(guān)系來(lái)調節。由于系統要實(shí)現低步進(jìn)調節，故采用前者方案。

圖3 MAX262模塊外圍電路圖