滤波器作为信号处理的关键组件为信号处理提供了极大的便利和灵活性
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引言
在现代电子系统中，滤波器作为信号处理的关键组件，广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制等领域。传统的滤波器设计往往固定其工作频率和带宽，难以满足复杂多变的信号处理需求。而基于单片机控制的程控有源滤波器，通过编程灵活调整滤波器的中心频率、带宽及品质因数等参数，为信号处理提供了极大的便利和灵活性。本文将详细介绍一种基于单片机控制的程控有源滤波器电路的设计和实现。
有源滤波器的基本原理
有源滤波器主要由运算放大器、电阻和电容等元件组成，通过运算放大器的增益和相位特性，实现对输入信号的滤波处理。开关电容有源滤波器(Switched-Capacitor Filter, SCF)是一种特殊的有源滤波器，其基本原理是在电路两节点之间接入具有高速开关的电容器，通过控制开关的通断，等效于在两节点之间连接一只电阻。这种滤波器具有设计灵活、集成度高、稳定性好等优点。
开关电容滤波器的工作原理
开关电容滤波器的基本工作原理如图1所示。在图1(a)中，一个传统的有源RC积分器通过图1(b)中的方式进行了改进，使用CMOS开关T1、T2和接地电容C1替代了输入电阻R1。图1(c)展示了不重叠的两相时钟脉冲，用于驱动T1和T2。当时钟信号φ1为高电平时，T1导通(视为短路)，T2截止(视为开路)，此时C1与输入信号VI相连并充电;当时钟信号φ2为高电平时，T1截止，T2导通，C1与输入信号VI断开，而接至运算放大器的输入端，C1放电，充电电荷传输至C2。通过不断重复这一过程，实现了对输入信号的积分作用。
在节点1、2之间流过的平均电流iav可以表示为iav=C1VI/TC，其中TC为时钟周期。若TC足够短，可近似认为这一过程是连续的，从而在两节点间定义一只等效电阻Req，即Req=VI/iav=Tc/C1。由此，可以得到等效积分器的时间常数τ=C2Req=TCC2/C1。显然，滤波器的频率响应时间常数τ取决于时钟周期TC和电容比值C2/C1，而与电容的绝对值无关。
基于单片机控制的程控有源滤波器设计
系统架构
基于单片机控制的程控有源滤波器系统主要由单片机、可编程计数器、程控有源滤波器芯片(如MAX262)及外围电路组成。单片机负责接收用户输入，通过编程控制滤波器的参数设置;可编程计数器(如8254)用于产生精确的时钟信号，驱动滤波器工作;程控有源滤波器芯片则根据单片机发送的指令，调整滤波器的中心频率、带宽及品质因数等参数。
MAX262滤波器芯片介绍
MAX262是美国Maxim公司生产的双二阶通用开关电容有源滤波器，内部集成有2个结构相同的二阶通用开关电容有源滤波器及1个独立的运算放大器OP。这两个有源滤波器既可独立使用，也可串联使用。通过D0D1、A0～A3端口线在WR上升沿写入所选中的内部单元，可以设置滤波器的工作方式、中心频率fO以及品质因数Q等参数。其中，中心频率fO的范围为1Hz～140kHz，fCLKA和FCLKB为内部开关电容网络所需的外部时钟，一般为中心频率fO的几十至上百倍。
电路设计
在电路设计中，首先需要根据滤波器的性能要求，选择合适的单片机和可编程计数器。以89C51单片机和8254可编程计数器为例，8254是3通道16位可编程计数器，最高计数脉冲频率可达10MHz，能够向MAX262提供精确的时钟频率fCLKA和fCLKB。
系统工作时，单片机通过编程控制8254产生所需的时钟信号，并通过并行接口向MAX262发送控制指令，设置滤波器的中心频率、带宽及品质因数等参数。MAX262根据接收到的指令，调整内部电路参数，实现对输入信号的滤波处理。
滤波器性能分析
在滤波器性能分析中，主要关注滤波器的中心频率、带宽及品质因数等参数。对于低通滤波器，其-3dB截止频率fc可以通过调整时钟频率fCLK和电容比值C2/C1来实现。当Q=0.7时，fc=f0，在2fc处滤波器的幅频增益应小于-12dB。对于高通滤波器，其fc范围及步进值与低通模式相同，但在0.5fc处滤波器的幅频增益应小于-12dB。
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