程控濾波器的設計報告

程控濾波器設計匯報（初步）摘要：本系統(tǒng)設計由可控增益放大器、程控濾波器、橢圓濾波器和幅頻特征測試儀4部分組成?？煽卦鲆娣糯笃鞑糠质且訟D603作為關(guān)鍵器件，實現(xiàn)0～60dB之間增益調(diào)整；程控濾波器部分經(jīng)過MAX261不一樣工作方式設置，實現(xiàn)不一樣濾波要求。整個系統(tǒng)控制和操作采取單片機8051F020來完成。測試結(jié)果可用LCD顯示。性能指標達成設計要求，工作可靠，用戶界面友好.關(guān)鍵詞：AD603，程控濾波器，8051F020，幅頻特征目錄第一章總體方案設計1-1第二章方案論證2-4各單元模塊設計第一節(jié)放大器模塊5-5第二節(jié)濾波器模塊6-6第三節(jié)幅頻特征測試模塊7-7測試結(jié)果（略）第五章設計總結(jié)8-8第六章附錄（略）第一章總體方案設計引言：本設計是基于開關(guān)電容有源濾波器程控濾波器，可自由選擇低通、高通和帶通模式，也可步進調(diào)整濾波器通帶截止頻率和放大器增益，其創(chuàng)新點在于設計實現(xiàn)了四階低通橢圓濾波器功效以及幅頻特征測試與顯示功效。該程控濾波器設計成本低、實現(xiàn)簡單，可廣泛應用于數(shù)字信號處理、通信、自動控制等領域，具備較強實際應用性，走在國內(nèi)外相關(guān)領域前沿。系統(tǒng)軟件設計主要有3部分：(1)設置放大器增益，控制高低通等濾波器切換并設定其截止頻率；(2)幅頻特征測試．產(chǎn)生DDS信號頻率控制字，控制頻率步進，測量并顯示信號經(jīng)過濾波器后幅值信息；(3)人機交互功效。系統(tǒng)軟件設計采取模塊化思想，模塊內(nèi)部采取層次化設計，總體流程如圖1-1所表示。圖1-1第二章方案論證2.1程控放大器方案題目要求放大器輸入信號振幅10mV，即峰峰值為20mV，電壓增益為40dB，增益步進為10dB，通頻帶為100hz-40khz。方案一：使用低噪聲運放OP37按要求做6路不一樣幅度放大，然后再用繼電器或模擬開關(guān)做通道切換。該方案硬件實現(xiàn)簡單，增益控制準確。不過控制相對復雜且包括元器件較多，不利于系統(tǒng)快速實現(xiàn)。方案二：使用可變增益放大器AD603壓控增益接法。AD603是一個低噪聲，寬帶（最大90M增益帶寬積）可變增益運放。依照文檔中給出增益公式，直接就可得到增益連續(xù)控制，且結(jié)果為對數(shù)值。能夠方便實現(xiàn)0db到40dB增益范圍。綜合以上分析，我們認為方案二可操作性最好，而且方案二經(jīng)過運放調(diào)整后相對較輕易實現(xiàn)題目峰峰值要求，故選方案二。2.2程控濾波器方案題目要求濾波器可設置為低通和高通濾波器，-3dB截至頻率為1K～20KHz，頻率步進為1KHz，而且2處系統(tǒng)總增益小于30dB。我們考慮方案有以下幾個：方案一：使用現(xiàn)成濾波器芯片，如Maxim企業(yè)開關(guān)電容濾波器芯片MAX261，能夠?qū)崿F(xiàn)低通、高通、和帶通濾波器，中心頻率范圍能夠從DC到140KHz，能很好實現(xiàn)題目標要求。方案二：采取狀態(tài)可調(diào)濾波器，用3個運放和電阻電容來組成，電路比較簡單，而且能夠?qū)崿F(xiàn)LPF、BPF、HPF三種輸出。能夠使用先確定決定Q值電阻和決定中心頻率電容，經(jīng)過不一樣電阻來切換中心頻率，以達成截至頻率為1K～20KHz，頻率步進為1KHz。方案三：采取狀態(tài)可調(diào)濾波器來實現(xiàn)，利用DA內(nèi)部R－2R電阻網(wǎng)絡，經(jīng)過數(shù)字量控制實現(xiàn)電阻改變，來改變?yōu)V波器中心頻率，以實現(xiàn)題目標要求。比較后以為方案一比很好，相對易于實現(xiàn)所要求功效。2.3四階橢圓濾波器四階橢圓濾波器方案為：方案一：利用狀態(tài)可調(diào)變量濾波器LP、BP、HP輸出，將三個按一定百分比疊加起來就能夠得到一個二階橢圓低通濾波器，再把兩個二階節(jié)串聯(lián)起來就能夠?qū)崿F(xiàn)4階橢圓低通濾波器.方案二：利用運放借助現(xiàn)有FilterSolutions軟件，直接借助軟件給出電路，做適當調(diào)整就能夠?qū)崿F(xiàn)4階低通橢圓濾波器。比較兩個方案，方案一能夠?qū)崿F(xiàn)題目要求，但調(diào)試起來比較麻煩，技術(shù)要求較高，方案二電路形式簡單易行，可快速制作，故采取方案二。2.4幅頻特征測試儀題目要求我們制作幅頻特征測試儀，掃頻范圍為100Hz～200KHz，頻率步進為10KHz，掃頻方案我們采取DDS芯片，能夠很好實現(xiàn)線性掃頻。關(guān)于檢波方案主要有兩種：方案一：先檢波后放大方案，檢波放大方案通常采取峰值檢測方法，檢波輸出后使用步進分壓器，再使用直流放大器放大信號進行測量。但需注意檢波二極管參數(shù)會影響最小信號分辨能力。方案二：先放大后檢波方案。放大檢波方案通常采取均值檢測方法，輸入信號先進入步進分壓器，經(jīng)放大后送入均值檢波器。但需注意放大器帶寬會影響測量信號頻率范圍。我們要測試頻率范圍100Hz～200KHz，對放大器增益帶寬積要求不是很高，故我們采取方案二。第三章各單元模塊設計3．1放大器模塊可變增益放大器AD603控制電壓與增益呈線性關(guān)系，該系統(tǒng)采取AD603通頻帶為30MHz經(jīng)典接法。AD603后由繼電器控制接入增益為20dB同相放大器，從而實現(xiàn)0～60dB增益范圍，同時采取16位串口D／A轉(zhuǎn)換器MAX542輸出電壓控制AD603增益，其增益步進可達成0．1dB，最終設定系統(tǒng)增益步進為10dB。電路圖如圖3-1所表示。圖3-1可控增益放大電路圖3．2濾波器模塊如圖3-2所表示圖3-2濾波器主流程框圖主程序?qū)崿F(xiàn)設計中要求低通、高通濾波器和四階橢圓型低通濾波器功效。初始化部分要完成單片機外圍電路參數(shù)設置及LCD主屏顯示。放大器增益參數(shù)輸入后，系統(tǒng)軟件經(jīng)過調(diào)用前置運放增益控制字程序?qū)崿F(xiàn)給定增益控制，并測試和顯示執(zhí)行結(jié)果。工作參數(shù)設置可支持對濾波器工作模式、濾波方式、濾波器各參數(shù)因子設置。截止頻率f步進設置程序能夠完成截止頻率輸入顯示，并調(diào)用濾波器參數(shù)優(yōu)化設置子程序，使濾波器達成給定目標頻率目標要求。3．3幅頻特征測試模塊AD9851由DDS產(chǎn)生0～200kHz范圍內(nèi)掃頻信號，DDS產(chǎn)生信號頻率穩(wěn)定度較高，而且信號頻率步進和信號幅值控制方便。DDS以Nyquist時域采樣定理為基礎，在時域中進行頻率合成。DDS基本工作原理：每個參考頻率fs上升沿到來時，N位相位累加器值便按照頻率控制字K長度增加一次，輸出所得相位值，正弦查找表將相位信息轉(zhuǎn)化為對應正弦幅度值。在fs和N一定情況下，輸出波形頻率由頻率控制字K決定。以一定步進循環(huán)增加頻率控制字K，輸出頻率改變掃頻信號。掃頻信號經(jīng)過被測網(wǎng)絡后，由AD637檢測有效值，即利用各個頻點經(jīng)過網(wǎng)絡后有效值在示波器上顯示其幅頻特征圖。AD637外圍電路簡單，而且當輸入峰峰值大于2V時，其測量誤差在100Hz～1MHz范圍內(nèi)可忽略。DDS原理框圖，幅頻特征測試模塊原理框圖如圖3-3所表示。圖3-3第五章設計總結(jié)本系統(tǒng)設計是基于MAX261程控濾波器設計方案，經(jīng)過可控增益放大器、程控濾波器、橢圓濾波器和幅頻特征測試儀4各模塊，實現(xiàn)了各項設計指標，前級放大器采取可控增益放大器實現(xiàn)0～60dB增益改變范圍，實現(xiàn)截止頻率在1～30kHz范圍內(nèi)數(shù)字可調(diào)，程控濾波器部分經(jīng)過MAX262不一樣工作方式設置，實現(xiàn)不一樣濾波要求。同時采取無源LC網(wǎng)絡實現(xiàn)四階橢圓低通濾波器，利用高速D／A轉(zhuǎn)換器和有效值檢波電路實現(xiàn)幅頻特征測試儀整個系統(tǒng)控制和操作采取凌陽單片機SPCE061A來完成。測試結(jié)果可用LCD顯示，系統(tǒng)性能良好。系統(tǒng)設計簡