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程控滤波器
摘要:本系统采用单片机和 FPGA 构成的最小系统为控制核心,实现程控放大器
和程控滤波器的功能。本系统主要包括三个部分:程控放大器部分、程控滤波器
部分、和幅频特性测试部分。增益设置为 0~60dB 可调,步进为 10dB,误差小于
5% 。程控滤波器可实现高通、低通和带通滤波 -3dB 截止频率f c 在 1kHz~20kHz
范围内可调,调节的频率步进为 1kHz。同时又制作了带内起伏≤1dB -3dB 通
带为 50kHz 的椭圆滤波器。此外,还可精确地测量幅频特性并在LCD 上显示幅
频特性曲线。系统各项指标均达到甚至超过要求。测试结果均可在 LCD 上实时
地显示,界面友好。
关键词:程控放大 程控滤波 MAX266 幅频特性
一、方案比较设计与论证
1.程控放大方案比较与论证
方案一:采用可控增益运放 AD603 实现。AD603 虽然能够提供很宽的带宽
但在低频段 AD603 则失去优势。且 AD603 输出峰峰值只有 6~7V,且外围电
路较复杂,需两片级联级间耦合较复杂,容易自激。所以放弃此方案。
方案二:采用 D/A 转换器来实现。利用 D/A 转换器内部的电阻网络加上运放
便可控制放大倍数。此种方案虽然外围电路较简单,但是由于 D/A 转换器本身的
速度问题,频率范围只能达到几十 KHz,对后级要求频率达到 200KHz 的测试造
成影响,而且其噪声也很大,所以放弃此方案。
方案三:运放+模拟开关+电阻网络。这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网
络,从而改变放大电路的闭环增益。由于题目中只要求测步进为 10dB 的 7 种增
益,动态范围为 60dB,只需将运放的反馈电阻接 7 种不同的阻值,通过模拟开
关切换即可达到要求。此种方法实现上较直观容易,控制起来比较方便也较精确
故采用此方案。
2.程控滤波方案比较与论证
方案一:数字滤波。通过在 FPGA 内部写入数字滤波器改变其参数来实现。
此种方案主要靠软件来实现,可以获得较好的截止特性,但是要消耗 FPGA 内部
大量的资源,增加了软件的难度,同时又需加外部的取样保持及抗混叠滤波电路
综合考虑放弃此方案。
方案二:通过改变通常所用的有源滤波器的电容电阻值来改变滤波器的参数。
这样必然需要数量庞大的电阻电容来实现参数的切换,切换电路过于复杂,且会
引入很大的分布电容和电感,误差很大。故放弃此方案。
方案三:采用集成的四阶可编程开关电容滤波器实现。MAX26X 系列的开
关电容滤波器通过时钟控制和软件送入 Q 值和 F0 值来设置滤波器的参数,并且
可以实现高通、低通、带通等多种滤波器的设计,截止特性较好,并且外围电路
较简单,控制起来较容易,故采用此种方案。在本系统中我们采用 MAX266 实
现,其可设置的频率范围最高达 140KHz f0 可以精确到 0.4Hz ,满足要求。
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二、整机工作原理与功能实现
1. 系统总体设计
本系统主要包括三个部分:程控放大、程控滤波、和幅频特性测试。其中程
控放大器部分又包括前级放大、程控放大和后级放大。程控滤波器部分包括程控
滤波和后级放大。幅频特性测试部分包括扫频信号源、前级信号处理、有效值检
波、A/D 转换模块。各个功能之间采用继电器切换。整个系统由 FPGA
( EP1C6Q240C8)和单片机(AT89S52)控制。
2. 总体实现框图
总体实现框图如图 2-1 所示。其中椭圆滤波和程控滤波共用输出端口,通过
继电器切换。
图2-1 系统总体框图
三、理论分析与主要功能电路设计
1、理论分析
(1)程控放大部分
题目要求输入程控放大的信号为峰峰值为 20mV,放大 0~60dB (即1~1000
倍),即输出端的电压峰峰值为 20mV~20V 。由于输入为小信号,不易采集处理
故所以先加一级前级放大。由于后级的程控滤波器对输入信号的限制
(-5V~+5V )和模拟开关特性的限制(峰峰值达不到20V ),所以再加一级后级
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