文档介绍：程控滤波器
摘要:本系统以高性能单片机C8051F020最小系统为控制模块,采用低噪声高带宽单片仪表放大器INA103和开关电容滤波器芯片MAX262来完成程控滤波器的设计,并通过电阻网络的切换实现放大器的电压增益的10dB步进;高通滤波器和低通滤波器可通过模拟开关来切换,单片机对中心频率f0和品质因数Q进行独立编程控制,实现对滤波器的截止频率步进调节。本系统原理简单,人机交互界面良好,操作简单,各项指标达到了或超过了设计要求。
关键词:程控,滤波器,开关电容,DDS
方案论证与比较
放大器模块
设计任务要求放大器的电压增益为60dB,增益10dB步进可调,通频带为100Hz~40K Hz,即带宽为60M Hz。根据设计任务,有以下三种方案可供参考。
方案一:采用可变增益放大器AD603进行设计制作放大器。AD603具有低噪声,高频带宽度,稳定性能好等特点。它由电压增益控制区、无源输入衰减区和固定增益运放区三部分组成。通过调节增益控制输入电压VG即可实现增益可调,但控制VG进行精确的10dB步进比较困难,且AD603的供电电压为±5V,这限制了它的最大输出电压范围,难以达到设计要求。
方案二:由电阻网络和普通运算放大器组成,如图1-1-1所示。由同相比例运算电路可以得出Vout=(Rf/Rd+1)Vs。取Rf=99K,Rd=1K,即Vout=100Vs,Vs通过开关 S0~S4进行切换,各点输出电压分别为V0=Vin,V1=,V2=,V3=,V4=。通过开关可以进行电压增益G的调节,放大倍数分别为100、、10、、1,即40dB、30dB、20dB、10dB、0dB。
此方案原理简单,硬件电路容易搭建,易于焊接,但是对电阻的精密度要求很高,对运放的带宽和性能也有很高的要求,开关的闭合、断开对电路的影响也不容忽视,对电路的稳定性不利。图1-1-1 步进放大器原理简图
放大倍数
增益(dB)
RG(Ω)
1
0
0
10
2774
10
20
667
30
196
方案三:采用低噪声、高精度的仪表放大器INA103进行放大器的设计制作。它具有非常宽的频带宽度和优越的动态响应特性。INA103外围电路非常简单,只需外接反馈电阻RG就可以对电压增益进行设置,由芯片使用手册可知增益与反馈电阻RG的关系式为G=1+6KΩ/RG, 表1-1-1 增益与RG值
表1-1-1列出了常用增益值和RG近似值。 INA103增益30 dB时,带宽略大于2 MHz。根据表1-1制作电阻网络,通过控制模拟开关选择反馈电阻,就可以实现增益10dB步进可调。
综上所述,方案一实现10dB步进可调比较困难;方案二对电阻精度和运放要求较高,难以实现;方案三中选择的仪表放大器INA103带宽宽,性能高,能满足设计指标的要求。因此选择方案三。
滤波器模块
设计任务要求滤波器可设置为低通滤波器或高通滤波器,滤波器-3 dB截止频率fC在1K Hz~20K Hz范围内可1K HZ步进可调,R=1KΩ。根据设计任务可有以下几种方案可供参考。
方案一:用RC网络和集成运放搭建滤波器。根据参数要求计算出RC的值,组成RC网络,通过单片机控制开关的通断即选择不同R、C组合值来实现截止频率fC的步进可调,并通过开关进行低通滤波器和高通滤波器的切换。此方案原理简单明了,但是,截止频率fC范围大,计算量大,电阻电容的标称值跟理论计算值有偏差,精度难以达到设计要求,RC网络数目过多,使得整个电路结构庞大,焊接工作量大,调试麻烦,且不利于系统的组装。
方案二:采用双二阶开关电容有源滤波器芯片MAX262进行滤波器的设计。MAX262具有75KHZ中心频率范围,64步中心频率控制,128步品质因素Q控制,独立的中心频率和品质因素编程等特性。它有四种工作模式,可由单片机对工作模式,中心频率控制字和品质因数进行精确编程控制,实现不同的低通、高通滤波器。
此方案硬件电路简单,电路稳定,控制易于实现,不必花太多时间在硬件调试上,为竞赛争取时间,但成本相应有所增加。综合考虑采用方案二。
同样,四阶椭圆型滤波器的设计也有如下两种方案。
方案一:由RC网络和运算放大器组成椭圆低通滤波器。此方案原理简单,电路也简单,但电容和电阻的理论计算值和标称值存在偏差,精度难以达到设计要求。
方案二:采用模拟可编程器件isPAC80,。此方案所需外围电路少,且软件设计调试、修改比较方便,又采用仿真软件辅助设计,提高了设计精度。
综合考虑,选择方案二。
时钟产生方案
由于采用专用滤波器芯片M