程控濾波器報(bào)告

程控濾波器

Program-controlledfilter

胡榜、周良成、紀(jì)彬彬摘要

本系統(tǒng)以TI公司的STM32F103ZET6單片機(jī)為核心，采用TI公司的儀表放大器、壓控放大器和程控放大器實(shí)現(xiàn)程控放大，可以達(dá)到0到60dB的增益調(diào)節(jié)范圍，并且采用程控的方式可以實(shí)現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)，通帶可以達(dá)到到300KHz。濾波器采用MAXIN公司的MAX262開(kāi)關(guān)電容濾波集成芯片實(shí)現(xiàn)低通濾波和高通濾波，采用FPGA控制輸入的時(shí)鐘頻率，可以實(shí)現(xiàn)截止頻率的連續(xù)可調(diào)，至少可以在20K范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高通和低通濾波。另外，本系統(tǒng)完成了掃頻儀的設(shè)計(jì)，掃頻范圍寬，精度高。系統(tǒng)性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，安全可靠，用戶界面友好。關(guān)鍵字：程控濾波器壓控放大器FPGA掃頻儀一、方案設(shè)計(jì)與論證1.1題目任務(wù)要求及相關(guān)指標(biāo)分析

題目要求設(shè)計(jì)并制作程控濾波器，放大器增益可設(shè)置，低通或高通濾波器通帶、截止頻率等參數(shù)可設(shè)置。其參考原理框圖如圖1所示，最后可以自制掃頻儀進(jìn)行頻率掃描測(cè)試。本系統(tǒng)大致原理框圖如下：

題目要求放大器輸入正弦信號(hào)電壓振幅10mV，電壓增益0到60dB，10dB步進(jìn)可調(diào)，電壓增益誤差不大于5%。濾波器可設(shè)置成低通或高通濾波器，-3dB截止頻率在1k-20kHz范圍內(nèi)可調(diào)，步進(jìn)1kHz。低通濾波器在2fc、高通濾波器在0.5fc處總電壓增益不大于30dB。制作一個(gè)簡(jiǎn)易幅頻特性測(cè)試儀，其掃頻輸出信號(hào)的頻率變化范圍是100Hz～200kHz，頻率步進(jìn)10kHz。經(jīng)分析，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分以下部分：可變?cè)鲆娣糯笃鳎咄V波器，低通濾波器，可變頻率信號(hào)發(fā)生器和檢波電路。1.2可控增益放大電路設(shè)計(jì)方案一：用程控放大器PGA202，PGA204構(gòu)成，此方案控制簡(jiǎn)單，但是PGA202，PGA204不能調(diào)節(jié)到0dB到60dB的步進(jìn)，需加一級(jí)繼電器控制增益為3.16倍的電路，但是繼電器切換擋位時(shí)有跳變，限制了性能。方案二：用固定增益放大和可控增益放大結(jié)合的方法。前級(jí)采用高共模抑制比的儀表放大器對(duì)輸入的小信號(hào)進(jìn)行固定增益放大20dB，中間級(jí)采用壓控放大器放大-20dB到20dB，后級(jí)采用程控放大器實(shí)現(xiàn)0或20dB的固定增益。該方法的增益調(diào)節(jié)范圍廣，輸出信噪比大，頻率特性好，可以在300K以內(nèi)保持增益穩(wěn)定不變。方案三：采用固定增益放大和乘法D/A程控衰減的方法。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行足夠增益的放大，可以采用兩級(jí)放大的形式保證在題目要求的頻率范圍內(nèi)放大到60dB，然后利用乘法DAC對(duì)信號(hào)進(jìn)行程控衰減。此方案只要選擇合適的DAC，就可以達(dá)到高精度和高靈敏度的增益控制，配合前級(jí)信號(hào)預(yù)放大，可實(shí)現(xiàn)增益可程控的放大器。但是由于D/A轉(zhuǎn)換器本身的速度問(wèn)題，頻率范圍有限，對(duì)后級(jí)要求頻率達(dá)到200KHz的測(cè)試造成影響，而且DAC在小增益時(shí)精度低，噪聲很大，所以放棄此方案。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案二。1.3程控濾波器的設(shè)計(jì)方案一：采用雙二次的高通或低通濾波器。截止頻率的調(diào)整由調(diào)整數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)。但數(shù)字電位器阻值不準(zhǔn)確，調(diào)整步進(jìn)不夠小，使截止頻率的調(diào)整不準(zhǔn)確。

方案二：采用集成的開(kāi)關(guān)電容濾波器芯片如MAX262。開(kāi)關(guān)電容濾波器可直接處理模擬信號(hào)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，容易實(shí)現(xiàn)功能。而且此種方法可任意設(shè)置截止頻率和Q值以及通頻模式，控制簡(jiǎn)單，易于調(diào)節(jié)，誤差較小。

方案三：采用DAC實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變量濾波器?？梢圆捎?位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器tlc7528，通過(guò)改變輸入的8位數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)阻值，從而改變RC濾波器的截止頻率。該方法的誤差比較大，電路較復(fù)雜。

綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案二。1.4掃頻部分設(shè)計(jì)采用ADI公司的集成的DDS芯片AD9851和寬帶電流放大器AD811產(chǎn)生掃頻信號(hào)通過(guò)濾波器，然后采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637轉(zhuǎn)換成有效值進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)處理。改變輸出頻率，可以在12864上畫(huà)出幅頻特性曲線。二、單元模塊設(shè)計(jì)2.1可控增益放大電路

可控增益放大器前級(jí)為儀表放大器INA128的20dB固定增益放大，該儀表放大器的抗噪性能好，共模抑制比高，可以很好的采取小信號(hào)，并且增益帶寬積完全可以滿足要求；中間級(jí)采用12位串行DAC芯片TLV5638控制壓控放大器VCA810實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)，TLV5638內(nèi)部自帶電壓基準(zhǔn)，可以控制輸出0到2.048V的電壓，而VCA810為0到-2V實(shí)現(xiàn)-40dB到40dB的增益線性可調(diào)，因此，在中間通過(guò)精密放大器OPA2132將DAC輸出的電壓放大-1倍，為了保證該電壓的穩(wěn)定，接了一個(gè)3.3uF的電容到地，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增益比不接電容的時(shí)候穩(wěn)定準(zhǔn)確了很多。為了使VCA810工作在比較穩(wěn)定的區(qū)域-20到20dB的放大范圍，且為了輸出20V峰峰值的信號(hào)，末級(jí)采用程控放大器PGA202實(shí)現(xiàn)0或20dB的固定可變?cè)鲆?，PGA202為1、10、100、1000的固定增益放大，電源電壓為+-12V，為了使其的帶寬較寬，只需1和10兩檔的放大就行。完全可以保證該電路在0到60dB范圍內(nèi)的正常放大，且?guī)捒梢赃_(dá)到300K。2.2可編程濾波器電路MAX262是美信公司的一款雙通道的二階開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，可編程設(shè)置濾波器的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q，且每一通道都有低通、高通、帶通、陷波和全通的輸出，可編程設(shè)置其為4個(gè)工作模式中的任意一種。本題目選用A通道，通過(guò)繼電器切換高通和低通輸出。只需給其配置時(shí)鐘CLK即可實(shí)現(xiàn)利用開(kāi)關(guān)電容模擬電阻，時(shí)鐘不同，其截至頻率就不同，且呈線性變化。因此，本部分可以利用FPGA產(chǎn)生不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)送給MAX262，從而實(shí)現(xiàn)截止頻率的線性控制。由于它是二階的濾波器，因此可使其在低通2fc和高通0.5fc處輸出總增益不超過(guò)30dB。時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的FPGA設(shè)計(jì)框圖如下：

2.3掃頻儀掃頻儀是由ADI公司的集成DDS芯片AD9851、寬帶電流放大器AD811以及有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637組成的。AD9851內(nèi)置高速比較器、RAM鎖相環(huán)、相位累加器和寄存器，內(nèi)部可將30M的時(shí)鐘6倍頻達(dá)到180M，在32位頻率控制字下，最低工作頻率和頻率分頻率可達(dá)180M/2^32=0.04Hz。內(nèi)部還自帶10位DAC，外接寬帶高速電流放大器AD811即可產(chǎn)生各種頻率的正弦波?？刂坪?jiǎn)單，數(shù)據(jù)可8位并行或串行加載。具體串行工作電路圖如下：有效值檢波電路圖：三、軟件流程圖四．系統(tǒng)調(diào)試和數(shù)據(jù)分析

測(cè)試表格A：程控放大器的測(cè)試（輸入信Vpp=20mV，頻率f=1k的正弦波）數(shù)據(jù)分析:在小增益的情況下由于信噪比較小，誤差較大；大增益的情況下可能波形略有一點(diǎn)點(diǎn)失真，因此實(shí)際值比理論值略小，誤差也大一點(diǎn)；中間各增益處實(shí)際值都比理論較大一點(diǎn)，可能是放大器的增益有微差，但誤差都很小，且都很穩(wěn)定。測(cè)試表格B：低通濾波器的測(cè)試（輸入信號(hào)Vpp=20mV，

增益G=40dB，-10dB處的理論有效值為228mV）測(cè)試表格C：高通濾波器的測(cè)試（輸入信號(hào)Vpp=20mV，增益G=40dB，-10dB處的理論有效值為228mV）低通和高通濾波數(shù)據(jù)分析由低通和高通濾波器的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的截止頻率與理論的截止頻率之間有一定的誤差，但是都滿足題目的要求，控制在5%以內(nèi)。且低通在2fc和高通在0.5fc時(shí)的總增益都沒(méi)超過(guò)原始信號(hào)的30dB，也滿足題目的要求。五．報(bào)告總結(jié)

起初看到這個(gè)題目之后我們組的三個(gè)成員就開(kāi)始把題目要求詳細(xì)地看了幾遍，然后很快就開(kāi)始了整個(gè)系統(tǒng)大致框圖的布局，包括放大、濾波、掃頻等等，這些很自然就涉及到了單片機(jī)、FPGA、模擬器件以及液晶和鍵盤(pán)的協(xié)調(diào)配合。隨后我們就各取所長(zhǎng)開(kāi)始了初步的分工，當(dāng)然在分工的同時(shí)也是在共同學(xué)習(xí)，因?yàn)楦鱾€(gè)模塊之間是需要相互搭配的，而且每個(gè)人都有自己獨(dú)到的見(jiàn)解。我們隨后就開(kāi)始了各部分具體詳細(xì)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的過(guò)程還算比較簡(jiǎn)單，花的時(shí)間也相對(duì)比較少，大部分時(shí)間都在調(diào)試和改進(jìn)電路。調(diào)試的過(guò)程才是我們的設(shè)計(jì)慢慢走向完美的過(guò)程，不管是在放大、濾波還是掃頻上我們都花了比較多的時(shí)間來(lái)調(diào)試硬件和完善軟件。這中間也遇到了很多問(wèn)題，在老師的幫助下和同學(xué)們的互相探討下終于一步一步解決了。終于在最后的聯(lián)調(diào)中得到了比較理想的效果。當(dāng)然，也還存在著一些問(wèn)題，主要是設(shè)計(jì)的作品抗干擾能力較差，而實(shí)驗(yàn)室的噪聲比較大，在測(cè)試的過(guò)程中存在不小的干擾，導(dǎo)致在小增益時(shí)信噪比較小，輸出波形不是很好，誤差也相對(duì)較大。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，關(guān)掉旁邊一些像臺(tái)式機(jī)這樣的電器，效果一下子改觀了很多，小增益時(shí)信號(hào)也干凈了很多。當(dāng)然，這并不是最好的解決辦法，