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。

　　圖1 系統整體框圖