文档介绍：2007年D题程控滤波器
摘要:本系统以RAM Cortex-M3为控制核心,利用开关电容技术实现程控滤波的功能。前端放大器由可编程增益放大器PGA构成,实现了增益0—60dB、步进10dB可调。滤波器采用模拟开关和电容的组合替代电阻的技术,构成RC有源滤波网络,实现了程控高通、低通滤波截止频率1KHz—20KHz,步进1KHz可调。人机接口采用按键键盘及LCD液晶显示器,控制界面直观、简洁,具有良好的人机交互性能。
1. 方案论证
根据题目要求,我们分以下三部分进行方案设计与论证
放大器
方案一:采用增益可调的单片机仪表放大器(例如AD620)可以实现增益在1~1000倍可调,但受其单位增益带宽积的限制(AD620单位增益带宽积只有12MHz),不能满足系统要求的放大器的通频带特性。
方案二:采用数字电位器和运放组成放大电路,可以通过控制数字电位器来改变放大器的反馈电阻实现可控增益。这种方案的电路比较简单,但受数字电位器的精度限制,很难实现增益的精确控制,同时也受数字电位器带宽的限制,数字电位器的带宽会直接影响放大器的通频带特性。
方案三:采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA。可控增益放大器的内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯形网络输入端的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由
加在增益控制接口的参考电压决定;利用RAM控制DAC的输出电压作为这个参考电压,可以实现较精确的增益控制。
我们采用方案三,可以实现较精确控制,AD603、AD605等可控增益放大器的输出电压幅度,放大器需要墨迹放大电路,墨迹放大电路可以采用MAX427等集成电路芯片活着分立元器件组成的放大电路。
滤波电路
方案一:采用电感和电容搭建各种类型的无源LC滤波器。参照滤波器设计手册上的相关参数,可以比较容易的设计出理想的滤波器;但要实现截止频率可调,只有改变电感和电容参数,控制电路将是非常复杂的。
方案二:采用运算放大器和电阻、电容等分立元件可以构造有源RC低通滤波器和有源RC高通滤波器,利用继电器或者模拟开关来切换不同的电阻值和电容值,可以改变滤波器的截止频率。但是为了达到赛题的基本要求,必须多个参数进行切换,控制电路也将是非常复杂的。
方案三:采用数字滤波器,精度高、截止特性好,但是要使截止频率可调,必须使用不同的参数,编程的工作量比较大。
方案四:采用开关电容滤波器。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。其等效电阻R与开关电容和时钟频率有关,即R=1/2πCfc,当改变滤波器的时钟频率fc时,可以改变等效电阻R,从而改变滤波器的时间常数。
综上所述,采用开关电容滤波器的方案电路结构简单,操作容易,因此选择方案四。
计
体设计
本系统以ARM Cortex-M3作为主控单元,将设计任务分为放大器,低通滤波器,高通滤波器,人机接口单元等功能模块。
放大器用AD603两级串联构成。滤波器在ARM控制信号作用下实现高通和低通滤波器的转换。低通和高通滤波电路采用模拟开关,电容和运算放大器组成,ARM通过控制模拟开关的通断频率,来实现截止频率的调节。
2. 2单元电路的设计
. 1 放大器电路设计
采用AD603可控增益放大器电路,输入端采用OPA642作跟随器,电路中采用AD603通频带最宽的一种接法,设计通频带为90MHz,增益为-10~+30dB,DAC产生增益控制电压,增益控制电压范围为0~+2V。两级AD6
03的引脚端2分别加入基准电压++。增益和控制电压的关系为Ap=40U+10。一级的增益只有40dB,使用两级串联,增益为Ap=40U1+40U2+20,增益范围为-20~+60dB,可以满足赛题要求。
由于AD603的输出有效值小于2V,在本设计中末级功率放大选用两级晶体管构成的直流耦合放大电路形式,以提高放大电路的带负载能力,电路入下图所示。电路带宽可达到25MHz。
路设计
低通滤波器:
LT