程控滤波器(基于51单片机和FPGA的程控滤波器实现方案)
设计了一种以单片机和可编程逻辑器件(FPGA)为控制核心的程控滤波器，实现了小信号的程控放大、截止频率的程控调节和滤波器幅频特性测试等功能。放大模块由可变增益放大器AD603实现，更大增益60dB和10dB逐级可调，增益误差小于1%。程控滤波模块由MAX297低通滤波器、TLC1068高通滤波器和椭圆低通滤波器组成，滤波方式由模拟开关选择。该系统通过程序控制调节有源滤波器的-3dB截止频率，使其在1~30kHz范围内可调，误差小于1.5%。此外，均方根采样芯片AD637和12位并行模数转换器MAX120用于测量扫频信号的幅度。
滤波器是用来消除干扰噪声的装置，可以用来有效地滤除特定频率或频率以外的频率。它在电子领域中占有非常重要的地位，在信号处理、抗干扰处理、电力系统和抗混叠处理中得到了广泛的应用。至于程控滤波器，本系统更大的特点是其滤波方式可以程控选择，截止频率-3 dB可以程控调节，相当于一个多功能滤波器，会有更好的应用前景。此外，系统具有幅频特性测试功能，频谱特性由示波器显示，可直观反映滤波效果。
1方案论证和选择
1.1可变增益放大器模块的设计和演示
方案1:数字电位计控制INA129级联的两级。FPGA用于控制数字电位器DS1267输出不同的电阻值，作为高精度仪表放大器INA129的反馈电阻。通过控制数字电位计来改变INA129的放大系数，可以调整放大器的增益。
方案二:采用可变增益放大器AD603。可变增益放大器由R-2R梯形电阻 *** 和固定增益放大器组成。施加到梯形 *** 输入端的信号被衰减，然后由固定增益放大器输出。衰减由施加于增益控制接口的基准电压决定。可以用单片机控制，DAC可以产生精确的参考电压来控制增益，从而实现更精确的数控。
因为输入正弦小信号的幅度为10 mV，电压增益为60 dB，10 dB步进程控可调，电压增益误差不能大于5%。就精度而言，两种方案都可以实现，在AD603后增加一级放大也可以实现60 dB的放大倍数。但数字电位器内部结构复杂，且有电容的影响，后续级接运算放大器后会带来意想不到的后果。因此，采用方案二。
1.2过滤器模块的设计和演示
方案一:采用数字滤波器。用MATLAB的数字滤波器设计FIR或IIR滤波器。数字滤波器具有精度高、截止特性好的优点。然而，FIR滤波器会占用太多的FPGA资源，IIR滤波器的设计工作量大，稳定性低，而且要使截止频率可调，需要使用不同的参数，这导致软件量很大。
2.方案；采用无源LC滤波器。使用电感和电容可以构建各种类型的滤波器。参考滤波器设计手册中的相关参数，很容易设计出理想的滤波器。但是，如果截止频率可调，仅通过改变电感和电容参数，硬件将非常复杂。
方案三:采用集成开关电容滤波芯片。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器组成的大规模集成电路滤波器。在时钟频率的驱动下，开关电容组可以等效为一个与时钟频率相关的等效电阻。当外部时钟改变时，等效电阻发生变化，从而改变滤波器的时间常数，进而改变滤波特性。开关电容滤波器可以像数字滤波器一样直接处理模拟信号，无需A/D和D/A转换，简化了电路设计，提高了系统可靠性。
综上所述，本系统采用方案三，用集成芯片MAX297实现低通滤波，用LTC1068实现高通滤波。方案二采用无源LC滤波技术实现四阶椭圆低通滤波器。
2系统总体设计方案及实现框图
该系统以单片机和FPGA为控制核心，由可控增益放大模块、程控滤波模块和幅频特性测试模块组成。系统框图如图1所示。幅度为1 V的输入信号经分压 *** 衰减后成为幅度为10 mV的小信号，经OPA690的前级放大2倍，起到阻抗变换和隔离的作用。同时，AD9851产生一个具有设定频率的正弦信号，通过模拟开关选择将其发送至下一级。AD603由信号程序控制进行0 ~ 60db可调增益放大，然后送到滤波模块。滤波模块包括低通、高通和椭圆滤波器，其中低通和高通由程序控制——3db截止频率可在1 ~ 30 kHz范围内以1kHz为步长调节。椭圆滤波器的截止频率为50千赫。然后模拟开关选择一个特定的滤波信号输出，经过有效值检测和A/D转换后送到FPGA测试幅频特性，再用两个DAC0800显示幅频特性曲线。
3主要功能电路设计
3.1放大模块
放大模块的具体电路如图2所示。之一部分是分压 *** ，前四个电阻将输入信号衰减100倍，与信号源内阻一起构成51 ω阻抗，第二个51 ω是匹配电阻。第二部分用OPA690将小信号放大2倍，同时起到阻抗变换和隔离的作用。由于AD603的输入阻抗为100ω，因此在背面串联一个100ω电阻进行匹配。第三部分是AD603可变增益放大器，其增益随着控制电压的增加而线性增加，单位为dB。1脚参考电压由单片机计算，由DAC芯片输出电压控制，实现精确数控。增益(db) = 40VG+G0，其中VG为差分输入电压，范围为-500至500mV；G0是增益的起点，连接不同的反馈 *** 时增益不同。将一个5kω电位计连接到第5和第7个引脚，并进行更换。
3.2高通滤波器模块
LTC1068是一款低噪声、高精度的通用滤波器。用于高通滤波时，截止频率范围为1 Hz~50 kHz，截止频率200倍以下无混叠现象。由于LTC1068的四个通道都是低噪声、高精度、高性能的二阶滤波器，每个通道只要外接几个电阻就可以实现低通、高通、带通和带阻滤波器的功能。具体电路如图3所示。端口b的q值为0.57，端口a的q值约为1。在电路调试中发现，A口的Q值需要大于B口的Q值，否则信号的幅度会在截止频率处发生翘曲。
LTC1068的时钟频率与通带之比为200: 1。由于时钟信号CLK在LTC1068内部加倍，当截止频率至少为1 kHz时，内部时钟频率实际上为400kHz。所以在LTC1068后面加了一个截止频率为450kHz的低通滤波器，滤除分频带来的噪声和高次谐波。
3.3低通滤波器模块
用MAX297实现低通滤波器。开关电容滤波器MAX297可以设置为8阶低通椭圆滤波器，阻带衰减为-80dB，时钟频率与通带频率之比为50: 1。通过改变CLK的频率，滤波器-3 dB的截止频率可在1 ~ 20 kHz范围内调节，并满足1 kHz步进的要求。
使用MAX297时需要注意的是，当信号频率和采样分辨率为同一频率时，开关电容组每次都会在电容上采集到相同的信号幅度，相当于输入信号为DC的情况，这样滤波器就会输出一个DC电平。同样，当信号频率是采样频率的整数倍时，也会出现同样的现象。所以在它前面要加一个模拟低通滤波器，有效排除采样频率及以上的高频信号。所以再次使用一级MAX297，截止频率设置为50kHz。其中时钟频率被设置为2.5mhz..之后要加一个截止频率为150 kHz的低通滤波器，滤除信号的高频成分，使波形更加平滑。具体电路如图4所示。
3.4四阶椭圆低通模块
系统要求带内波动≤1 dB，50 kHz的-3 dB通带的四阶椭圆低通滤波器，用无源LC椭圆低通滤波器实现。使用Filter Sol ution对滤波器进行仿真，然后在MulTIsim中将电容和电感参数调整到标称值。另外，在椭圆滤波器的前后连接了后级，避免了前后级的阴影。具体电路如图5所示。
4系统软件设计
系统的软件设计由单片机和FPGA组成。用户可以通过界面的显示选择高通、低通、椭圆滤波器，设置截止频率，显示幅频曲线。其中，单片机主要完成用户的输入输出处理和系统控制。FPGA的主要功能是:控制AD9851产生扫频信号，控制滤波器截止频率的时钟信号，控制两个D/A显示幅频特性曲线。流程图如图6所示。
5测试计划和测试结果
5.1放大器测试
放大器输入端的正弦信号频率为10 kHz，幅度为10 mV，设置增益分别为10、20、30、40、50和60dB。用示波器测量实际输出幅度，计算实际增益，误差小于1%。另外，放大器的通带为1 ~ 200 kHz。
5.2低通和高通滤波器测试
将放大器的增益设置为40dB，滤波器设置为低通滤波器，预设滤波器的截止频率范围为1 ~ 30 kHz，步长为1kHz。用示波器测量实际截止频率，相对误差小于1.5%，2fc处总电压增益小于20dB。高通滤波器的测试 *** 相同。
5.3椭圆过滤器测试
放大器的增益设置为40 dB，实际截止频率为-3 dB，200 kHz时的总电压增益用示波器测量。测得的FC = 50.0 kHz，幅度在150 kHz时几乎衰减到0。
5.4幅频特性和相频特性的测试
测量低通滤波器和高通滤波器的频率特性，在示波器上显示它们的幅频特性曲线，与设定的滤波方式和截止频率一致。
6结束语
该系统放大器增益范围为10 ~ 60 dB，通带为1 ~ 200 kHz，增益误差小于1%。该滤波器的截止频率范围为1 ~ 30 khz，误差小于1.5%。椭圆滤波器截止频率的误差为0，幅度在150 kHz几乎衰减到0。误差主要是由时钟频率引起的。截止频率为20 kHz时，要求的更大时钟频率为2MHz，无法保证良好的时钟边沿，时钟频率无法精确控制，还有放大器的非线性误差。另外，幅频特性测试仪采用DAC0800和有效值检测电路实现，系统整体性能良好。在单片机和FPGA的有机结合和协同控制下，整个系统工作稳定，测量精度高，人机交互灵活。
