程控濾波器設(shè)計(jì)方案比較分析

1、1 程控濾波器設(shè)計(jì)方案比較分析11 濾波器的設(shè)計(jì)方案1：傳統(tǒng)分立元件組成的無源濾波器存在諸如帶內(nèi)不平坦、頻帶范圍窄且恒定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。方案2：運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源濾波器設(shè)計(jì)簡單，但存在截止頻率調(diào)節(jié)范圍的局限性，難以實(shí)現(xiàn)高精度截止頻率調(diào)節(jié)。方案3：引腳可編程的開關(guān)電容濾波器MAX264。該器件內(nèi)部集成了濾波器所需的電阻、電容，無需外接器件，且其中心頻率、Q值及工作模式都可通過引腳編程設(shè)置進(jìn)行控制。MAX264可工作于帶通、低通、高通、帶陷或是全通模式下，其通帶截止頻率可達(dá)140 kHz。綜上所述，故系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)選用方案3。12 放大器的設(shè)計(jì)方案1：采用普通寬帶運(yùn)算放大器構(gòu)成放大電路，分立

2、元件構(gòu)成AGC控制電路，利用包絡(luò)檢波反饋至放大器的方法控制放大倍數(shù)。采用場效應(yīng)管作為AGC控制可實(shí)現(xiàn)高頻率和低噪聲，但溫度、電源等漂移將引起分壓比變化，采用這種設(shè)計(jì)方案難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益的精確控制和穩(wěn)定性。方案2：采用可編程放大器的思想，將交流輸入信號作為高速DA轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，該DA轉(zhuǎn)換器可視為一個(gè)程控衰減器。理論上講，只要DA轉(zhuǎn)換器的速度夠快、精度夠高就可實(shí)現(xiàn)寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但控制的數(shù)字量和最后的增益(dB)不是線性關(guān)系而是指數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致增益調(diào)節(jié)不均勻，精度降低。方案3：采用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA實(shí)現(xiàn)增益控制。電壓控制增益便于單片機(jī)控制，同時(shí)可減少噪聲和干擾

3、。采用可變增益放大器AD603作為增益控制。AD603是一款低噪聲、精密控制的可變增益放大器，溫度穩(wěn)定性高，其增益與控制電壓成線性關(guān)系，因此便于使用DA轉(zhuǎn)換器輸出電壓控制放大器增益。綜上所述，故系統(tǒng)的放大器設(shè)計(jì)選用方案3。 2 程控濾波器設(shè)計(jì)程控濾波器主要由程控放大器、濾波器和信號采集等模塊組成，如圖1所示。幅頻特性測試儀主要由掃頻源、信號采集、示波器顯示等電路組成。其工作原理：輸入信號經(jīng)衰減網(wǎng)絡(luò)衰減至10 mV，單片機(jī)設(shè)置放大器和濾波器的參數(shù)，選擇相應(yīng)的濾波器，單片機(jī)和FPGA控制AD9851產(chǎn)生正弦輸出信號，再經(jīng)濾波、AGC后得到掃頻輸出信號，單片機(jī)和FPGA共同控制DA轉(zhuǎn)換器輸出幅頻特性

4、曲線在示波器上顯示。3 理論分析與計(jì)算31 程控放大器AD603的基本增益為：Gain(dB)：40VG+10 (1)其中，VG是差分輸入電壓，單位是V，Gain是AD603的基本增益，單位是dB。由式1看出，以dB作單位的對數(shù)增益與電壓成線性關(guān)系。由此，單片機(jī)通過簡單的線性計(jì)算就可控制對數(shù)增益，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)。32 程控濾波器編程設(shè)置MAX264的M0、M1引腳使其工作在模式1、2、3、4多種模式下，但只有模式3具有高通濾波功能,因而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模式3實(shí)現(xiàn)低通和高通濾波功能。模式3下的輸入時(shí)鐘與中心頻率的關(guān)系(以下僅以低通濾波器作為分析，高通濾波器類似)為：fCLK/f0=(N+13

5、)(2)其中，fCLK為輸入時(shí)鐘頻率，fo為濾波器中心頻率,N由外部輸入。fo與截止頻率fc的關(guān)系： 其中，Q為濾波器的品質(zhì)因數(shù)。因此fCLK與fc具有函數(shù)關(guān)系，可通過設(shè)置fCLK實(shí)現(xiàn)fc的設(shè)置。取Q=0707 fCLK/f=(N+13)，實(shí)現(xiàn)fc的設(shè)置。33 橢圓低通濾波器橢圓函數(shù)濾波器的衰減特性為：AdB=101g1+2Z2n()(4)其中，由波紋確定，Zn()為n階的橢圓函數(shù)，對于偶數(shù)n階的橢圓函數(shù)，其極點(diǎn)和零點(diǎn)表示為：其中,m=n2。所以對于4階的橢圓函數(shù)濾波器,阻帶和通帶內(nèi)波紋相等，而且阻帶內(nèi)的陷波點(diǎn)數(shù)為1。因此橢圓濾波器在通帶和阻帶內(nèi)特性允許起伏,并具有最佳截止特性，但對元件數(shù)值要

6、求特別嚴(yán)格。根據(jù)選用RdB=05 dB,Amin=70 dB,s=391查歸一化圖表得C1=1226 F，C2=0043 80 F,L2=1241 H，C3=1904 F,L4=0845 9 H,用Z=510 和頻率標(biāo)定系數(shù)FSFT=2fc(fc截止頻率，即50 kHz)對濾波器去歸一化,C=C(FSF×Z)，L=L×ZFSF，得出參數(shù)后采用Multisim仿真調(diào)整參數(shù)，并且設(shè)計(jì)相關(guān)電路測試得出如下參數(shù)：C1=68 nF，C2=39 pF，L2=22 mH+220H=242 mH，C3=10 nF，L4=1 mH+620 mH=162 mH。其橢圓濾波器電路如圖2所示。4

7、硬件電路設(shè)計(jì)41 程控放大電路該電路采用兩片AD603級聯(lián)實(shí)現(xiàn)可控增益范圍為0 dB60 dB。AD603單片增益范圍為10 dB30 dB,輸入控制電壓范圍為0 Vl 1。其中，一級AD603電路圖如圖3所示。由于AD603的輸入阻抗僅100 ，要滿足系統(tǒng)電阻要求，必須增加輸入緩沖來提高輸入阻抗。另外由于前級電路影響電路噪聲，須盡量減少噪聲，故采用一級儀表運(yùn)算放大器AD620構(gòu)成的放大電路作為前級小信號放大器。42 低通和高通濾波器電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用引腳可編程濾波器MAX264實(shí)現(xiàn)低通或高通濾波器，如圖4所示(衰減放大網(wǎng)絡(luò)略)。電路設(shè)計(jì)采用單極性輸入模式，其輸入電壓范圍0 V5 V，調(diào)理電路應(yīng)

8、將信號調(diào)理至其輸入范圍。調(diào)理過程：信號首先經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)使其峰-峰值為-25 V+25 V，再由加法器將信號調(diào)節(jié)為0 V5 V,濾波后，減法器將信號變?yōu)?25 V+25 V,放大網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償平衡衰減，最后輸出至有效值來轉(zhuǎn)換電路。43 幅頻特性測試電路幅頻特性測試電路主要是由DDS AD9851與AGC構(gòu)成的掃頻源、有效值轉(zhuǎn)換,以及12-bit ADCMAXl97采樣電路和DAC0800構(gòu)成的顯示電路組成。5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用軟件工程設(shè)計(jì)思想，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互，包括提示信息顯示、系統(tǒng)狀態(tài)選擇、參數(shù)輸入、輸入?yún)?shù)顯示、系統(tǒng)啟動(dòng)與復(fù)位。軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。6 測試結(jié)果系統(tǒng)設(shè)

9、置為放大器電壓增益范圍測試模式，在放大器電壓增益測試端口利用Tektronix TDS1002型數(shù)字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量其輸出幅度，滿足系統(tǒng)要求。系統(tǒng)分別設(shè)定為低通濾波器和高通濾波器測試模式，在放大器電壓增益測試端口以及濾波器輸出端口中利用TektronixTDS1002型數(shù)字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量截止頻率處及2倍截止頻率處其輸出幅度，各參數(shù)滿足系統(tǒng)要求。系統(tǒng)設(shè)定為橢圓濾波器測試模式，在濾波器輸入端口和濾波器輸出端口采用數(shù)字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量其通帶內(nèi)和截止頻率處輸出幅度。濾波器輸入幅值為1 V時(shí)通帶內(nèi)最大輸出幅值為110 V，增

10、益為0828 dB，滿足帶內(nèi)起伏1 dB的要求。-3 dB截止頻率為52 kHz，滿足-3 dB通帶誤差不大于5%的要求。用管腳可編程濾波器件MAX264設(shè)計(jì)通用有源濾波器 The Design of Universal Filter with Pin Programmable Filter MAX264 國防科技大學(xué) 張成鶴 王平 鄭林華 引 言 軟件無線電技術(shù)目前已被廣泛采用，具有軟件無線電結(jié)構(gòu)及其功能的系統(tǒng)是一個(gè)高度數(shù)字化，高度可編程，用軟件實(shí)現(xiàn)并可擴(kuò)充其功能的一種通信系統(tǒng)，它的中心思想就是構(gòu)建一個(gè)通用化的硬件平臺，根據(jù)不同要求，只需升級或改變控制程序就可完

11、成多種功能。而濾波器作為抑制或消除無用信號成分通過有用信號成分的電子裝置，已大量應(yīng)用于各類電路系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的分立元件組成的無源濾波器或是用運(yùn)放構(gòu)成的有源濾波器總是存在諸如帶內(nèi)不夠平坦、頻帶范圍窄且固定不變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。隨著軟件無線電技術(shù)在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，尋找一種高精度可編程控制的通用濾波器已變的越來越重要。MAX364就能較好地滿足這一需要。MAX264的結(jié)構(gòu)及性能 MAX264的結(jié)構(gòu) MAX264的結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)獨(dú)立的濾波單元、分頻單元、fo邏輯單元、Q邏輯單元及模式設(shè)置單元等電路組成。主要特性描述如下： 濾波器設(shè)計(jì)軟件化 中心頻率32階可控 Q值128階可控 Q值與fo獨(dú)立可

12、編程 Fo可達(dá)140kHz 支持+5V和 5V兩種供電方式 MAX264的引腳說明 MAX264芯片諸引腳功能如下（括號內(nèi)數(shù)字為引腳號）： V+(10)：供電正極，并接旁路電容盡量靠近該腳； V-(18): 供電負(fù)極，并接旁路電容盡量靠近該腳； GND(19):模擬地； CLKA(13):A單元時(shí)鐘輸入，該時(shí)鐘在芯片內(nèi)部被二分頻； CLKB(14):B單元時(shí)鐘輸入，該時(shí)鐘在芯片內(nèi)部被二分頻； OSC OUT(20):連至晶體，組成晶振電路（若接時(shí)鐘信號時(shí)，該腳不連）； INA,INB(5,1):濾波器輸入； BPA,BPB(3,27):帶通輸出； LPA,LPB(2,28):低通輸出； HPA

13、,HPB(4,26):高通/帶陷/全通輸出; M0,M1(8,7):模式選擇,+5V高，-5V低； F0-F4(24,17,23,12,11):時(shí)鐘與中心頻率比值（FCLK/f0）編程端； Q0-Q6(15,16,21,22,25,6,9):Q編程端。 MAX264原理及設(shè)計(jì) 對M0、M1兩個(gè)管腳編程可使芯片工作于模式1、2、3、4幾種方式，對應(yīng)的功能如表1所示，時(shí)鐘與中心頻率比值與編碼對應(yīng)。 模式1：當(dāng)我們要實(shí)現(xiàn)全極點(diǎn)低通或帶通濾波器（如：切比雪夫、巴特沃斯濾波器）時(shí)這種模式是很有用的，有時(shí)該模式也用來實(shí)現(xiàn)帶陷濾波器，但由于相關(guān)零極點(diǎn)位置固定，使得用作帶陷時(shí)受到限制。 模式2：模式2用于實(shí)現(xiàn)

14、全極點(diǎn)低通和帶通濾波器，與模式1相比該模式的優(yōu)點(diǎn)就是提高了Q值而降低了輸出噪聲，該模式下fclk/fo是模式1的1oversqrt2，這樣就延寬了截止頻率。 模式3：只有該模式下可實(shí)現(xiàn)高通濾波器，該模式下最高時(shí)鐘頻率低于模式1. 模式4: 只有該模式下才可以實(shí)現(xiàn)全通濾波器。 在設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)所需的頻率響應(yīng)特性，確定出品質(zhì)因數(shù)（Q）及截止頻率，由Q值進(jìn)而確定出N值： Q=64/(128-N) 模式1，3，4時(shí); Q=90.51/(128-N) 模式2時(shí)； 也可以由Q值查表3得出N.得到N后，進(jìn)而可以求出fclk/fo值： fclk/fo= （N+13） 模式1，3，4時(shí)； fclk/fo= （

15、N+13）/sqrt2模式2時(shí)； 因?yàn)闀r(shí)鐘頻率fclk是已知的，所以即可求出fo。由低通、帶通、高通時(shí)通帶示意圖，幾種情形下的參數(shù)對應(yīng)式如下： 低通時(shí)： f_c=f_0 sqrt(1-1over2Q2)+sqrt(1-1over2Q2)2+1 Q0-Q6(15,16,21,22,25,6,9):Q編程端; f_p=f_o sqrt1-1over2Q H_op=H_olp 1over1overQsqrt(1-1over4Q2) 帶通時(shí) Q=f_0over(f_H-f_L)，f_0=sqrtf_Lf_H f_L=f_0-1over2Q+sqrt1over4Q2+1 f_H=f_01over2Q+s

16、qrt(1over2Q)2+1 高通時(shí) f_c=f_0 sqrt(1-1over2Q2)+sqrt(1-1over2Q2)+1-1 f_P=f_0 sqrt1-1over2Q2-1 H_op=H_OHP 1over1overQsqrt1-1over4Q2 實(shí)現(xiàn)通用濾波器 隨著軟件無線電思想在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，原來的那種固定頻帶和固定模式的濾波器已不能滿足需要，以下就是我們在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)的一種由DSP控制下，以MAX264為核心的通用有源濾波器如我們采用了 5V供電，為了獲得更好的帶內(nèi)特性，將LPA，BPA，HPA經(jīng)過受DSP控制的模擬開關(guān)MAX333接至INB管腳，以實(shí)現(xiàn)級聯(lián)濾波，當(dāng)然

17、也可以由軟件控制MAX333為關(guān)斷方式而使其為單級方式，由于DSP輸出為3V標(biāo)準(zhǔn)，而MAX333，MAX312，MAX4624為5V標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，為保證器件安全，MAX333到DSP間接有電平轉(zhuǎn)換芯片（因與濾波器關(guān)系不大，故未畫出），另外DSP與MAX333，MAX312及MAX4624間的鎖存器件也未畫出。M0和M1的高電平為+5V而其低電平為-5V，所以模式的選擇是由DSP控制模擬開關(guān)MAX312來實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用MAX264設(shè)計(jì)程控濾波器濾波器, 程控, 應(yīng)用, 設(shè)計(jì)一、引言        該題目為我院電子技術(shù)應(yīng)用研究課題

18、，該課題在評審中獲得一等獎(jiǎng)。二、方案選擇1.可調(diào)增益放大器部分        選用集成運(yùn)放構(gòu)成比例運(yùn)算電路，這里對運(yùn)放的增益帶寬積有一定的要求。根據(jù)增益帶寬積為常數(shù)的原理，可先確定單位增益帶寬，選擇出運(yùn)放。再根據(jù)增益的步進(jìn)值定出各個(gè)反饋電阻的值，利用模擬開關(guān)選通各個(gè)電阻，從而實(shí)現(xiàn)增益的步進(jìn)可調(diào)。2.程控濾波器部分        采用集成芯片MAX264構(gòu)成濾波器。這種濾波器可通過選擇工作模式實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通三種濾波方式。其低通、高通截止頻率可通過編程設(shè)置，低通截止頻率可高

19、達(dá)140kHz,但這種濾波器需要根據(jù)參數(shù)確定時(shí)鐘頻率，且傳輸函數(shù)較為煩瑣，可通過編軟件進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)。該集成器件有些引腳需要正負(fù)5伏供電，所以需要電平轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)軟件編程較為簡單，硬件不太復(fù)雜。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。四、理論分析與計(jì)算1.放大器增益        放大器部分采用AD620、模擬開關(guān)和精密可調(diào)電阻構(gòu)成        根據(jù)公式： Rg=49.4K/(G-1)        即： G=49.4K

20、/Rg+1        用單片機(jī)控制模擬開關(guān)的三個(gè)輸入端以控制所選擇的電阻從而達(dá)到 10db60db增益可調(diào)的目的，且精度較高。2.濾波器的截止頻率        MAX264 內(nèi)集成了設(shè)計(jì)濾波器所需的電阻電容，在應(yīng)用中幾乎不用外接器件，使用非常簡單，其中心頻率、Q值及工作模式都可以通過對引腳編程控制，它可以工作于帶通、低通、高通、帶阻或是全通模式,時(shí)鐘輸入(外接時(shí)鐘信號或晶振)和5比特編碼控制可以精確地設(shè)置中心頻率及Q值(0.564)。通過減小fclk/f比值，可使其通帶

21、截止頻率達(dá)140kHz。 五、理論分析與計(jì)算1.放大器增益         放大器部分采用AD620、模擬開關(guān)和精密可調(diào)電阻構(gòu)成。         根據(jù)公式： Rg=49.4K/(G-1)         即： G=49.4K/Rg+1         用單片機(jī)控制模擬開關(guān)的三個(gè)輸入端以控制所選擇的電阻從而達(dá)到 10dB60dB增益可調(diào)的目的，且精度較高。2

22、.濾波器的截止頻率        MAX264 內(nèi)集成了設(shè)計(jì)濾波器所需的電阻電容，在應(yīng)用中幾乎不用外接器件，使用非常簡單，其中心頻率、Q值及工作模式都可以通過對引腳編程控制，它可以工作于帶通、低通、高通、帶阻或是全通模式,時(shí)鐘輸入(外接時(shí)鐘信號或晶振)和5比特編碼控制可以精確地設(shè)置中心頻率及Q值(0.564)。通過減小fclk/f比值，可使其通帶截止頻率達(dá)140kHz。        低通濾波模式下由MUX264資料給出：      &

23、#160;  由上述四個(gè)獨(dú)立變量fc、fclk、N、Q的關(guān)系式可知，只要fc、fclk、N、Q確定，則截止頻率fc即可確定，所以要滿足在1kHz20kHz范圍內(nèi)可以步進(jìn)1kHz的要求，即可通過改變MAX264的輸入時(shí)鐘頻率fclk,編程設(shè)置Q端和F端來實(shí)現(xiàn)。但參數(shù)的不同選擇要影響到系統(tǒng)中硬件與軟件所占比例，其中fclk的變化要由時(shí)鐘頻率變換電路實(shí)現(xiàn), 用單片機(jī)控制N、F，同時(shí)還需要邏輯電平轉(zhuǎn)換電路。在參數(shù)的選擇中，盡量發(fā)揮軟件的靈活性，使硬件電路容易實(shí)現(xiàn)。依據(jù)公式，借助計(jì)算機(jī)計(jì)算得到滿足要求的各組理論解，我們選擇兩個(gè)時(shí)鐘輸入頻率提供給MAX264，再選擇N、F來實(shí)現(xiàn)截止頻率fc在1k

24、Hz20kHz范圍內(nèi)步進(jìn)1kHz的要求，低通，高通參數(shù)選擇值列表（見表3、表4）。3.f=2fc處總增益理論計(jì)算        經(jīng)查MAX264的使用說明，其內(nèi)部兩個(gè)獨(dú)立濾波電路都為二階，且在其通帶內(nèi)的濾波信號放大增益為0dB，故在放大器增益為40 dB時(shí)，f=2fc處總增益為：        低通濾波時(shí): G=40 dB -3 dB -40 (dB/dec)*(2/10)=29 dB        所以理論計(jì)算滿足

25、設(shè)計(jì)要求。        高通濾波時(shí): G=40 dB -3 dB40 (dB/dec)*(2/10)=29 dB        所以理論計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求。六、單元電路及程序設(shè)計(jì)1.放大器         本放大器采用集成運(yùn)放AD620 ，見圖2。2.程控濾波器        MAX264可以不加外部元件或加少量外部元件就可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、陷波器, 該芯片的引腳分布見圖3。         利用MAXIM 公司生產(chǎn)的CMOS開關(guān)電容濾波器MAX264設(shè)計(jì)的鎖相跟蹤帶通濾波器, 電路簡單,工作可靠,具有很高的實(shí)用價(jià)值。MAX264內(nèi)部含有2 個(gè)獨(dú)立的二階開關(guān)電容帶通濾波器,它有12個(gè)可編程輸入端,其中5個(gè)用