基于FPGA和Quartus II的程控濾波器測量系統的設計方案

圖4給出程控濾波器的連接電路圖，由四片LF356和一片TLC7528組成，其中LF356的增益帶寬積為5MHz,系統中的最高頻率為50KHz,故增益帶寬積選用LF356能滿(mǎn)足要求。

TLC7528是電流型雙數模轉換芯片，數字電源采用5V供電，在電路中其等效為可變電阻。

3.3 軟件流程圖

軟件系統流程圖如圖5所示。

本設計的控制MCU采用Altera的NiosII軟核實(shí)現，軟件設計和編譯、調試在Nios II IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成。

軟件需要實(shí)現的功能有：高低通濾波器與幅頻特性測試功能的切換、前級放大增益的控制、濾波器截止頻率的更改，還要控制掃頻信號輸出、信號有效值回采和幅頻特性曲線(xiàn)的繪制。

本系統的功能切換并不復雜，需要控制的變量也不是很多，軟件設計采用模塊化和自頂向下的設計方式，軟件系統中主要分成按鍵(輸入)模塊、LCD(顯示)模塊、數值發(fā)送模塊、界面顯示更新模塊、輸入處理模塊等。每一個(gè)模塊是否執行是通過(guò)標志位來(lái)確定的，主程序通過(guò)死循環(huán)檢測每一個(gè)標志位的狀態(tài)，來(lái)確定應該進(jìn)入哪一個(gè)模塊并實(shí)現相應的功能。

4.測試結果

固化程序后，用函數發(fā)生器和TDS1002B數字示波器來(lái)測試各指標，并分別記錄其測量數據。用函數發(fā)生器輸入頻率為1KHz,峰-峰值為20mV的正弦波，記錄程控放大器輸出端的測試值如表1所示。

測量程控濾波器低通、高通特性，采用40dB的程控放大器增益，濾波器輸出接負載1KΩ，測量數據如表2所示。

此外，設計的幅頻特性測試儀可測量程控濾波器的高通、低通特性曲線(xiàn)，并在液晶上打點(diǎn)繪制曲線(xiàn)。

橢圓濾波器測量時(shí)，輸入信號峰-峰值為5V,通帶內最大峰-峰值為5.12V,在室溫較高時(shí)測得截止頻率為52.03KHz,室溫較低時(shí)測得截止頻率為49.2KHz.由此可見(jiàn)，該設計受溫度影響較大，初步分析為電容的溫度系數太大造成的。

5.結論

本文提出了基于FPGA和Quartus II的程控濾波器測量系統的設計方案。該方案以Altera公司的FPGA和Nois II為核心，采用運算放大器和模擬開(kāi)關(guān)作為前級小信號放大器，以電流型DAC TLC7528等效為可變電阻，通過(guò)模擬電路構建傳遞函數實(shí)現可編程濾波，并通過(guò)FPGA查找表的方法數字合成正弦波通過(guò)DAC輸出。然后，通過(guò)合成信號對程控濾波器進(jìn)行掃頻測試，并在實(shí)際焊接電路中實(shí)現，測試該可編程濾波器，前級的小信號增益可達1000倍，10dB步進(jìn)。整個(gè)系統的構建可用于工程中信號的放大，濾波和檢波處理，而實(shí)現了智能化的控制。