基于MAX264的程控滤波器

1 程控滤波器设计方案比较分析
1．1 滤波器的设计
    方案1：传统分立元件组成的无源滤波器存在诸如带内不平坦、频带范围窄且恒定、结构复杂等缺点。
    方案2：运算放大器构成的有源滤波器设计简单，但存在截止频率调节范围的局限性，难以实现高精度截止频率调节。
    方案3：引脚可编程的开关电容滤波器MAX264。该器件内部集成了滤波器所需的电阻、电容，无需外接器件，且其中心频率、Q值及工作模式都可通过引脚编程设置进行控制。MAX264可工作于带通、低通、高通、带陷或是全通模式下，其通带截止频率可达140 kHz。
    综上所述，故系统的滤波器设计选用方案3。
1．2 放大器的设计
    方案1：采用普通宽带运算放大器构成放大电路，分立元件构成AGC控制电路，利用包络检波反馈至放大器的方法控制放大倍数。采用场效应管作为AGC控制可实现高频率和低噪声，但温度、电源等漂移将引起分压比变化，采用这种设计方案难以实现
系统增益的精确控制和稳定性。
    方案2：采用可编程放大器的思想，将交流输入信号作为高速D／A转换器的基准电压，该D／A转换器可视为一个程控衰减器。理论上讲，只要D／A转换器的速度够快、精度够高就可实现宽范围的精密增益调节。但控制的数字量和最后的增益(dB)不是线性关系而是指数关系，导致增益调节不均匀，精度降低。
    方案3：采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA实现增益控制。电压控制增益便于单片机控制，同时可减少噪声和干扰。采用可变增益放大器AD603作为增益控制。AD603是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，其增益与控制电压成线性关系，因此便于使用D／A转换器输出电压控制放大器增益。
    综上所述，故系统的放大器设计选用方案3。

2 程控滤波器设计
    程控滤波器主要由程控放大器、滤波器和信号采集等模块组成，如图1所示。幅频特性测试仪主要由扫频源、信号采集、示波器显示等电路组成。其工作原理：输入信号经衰减网络衰减至10 mV，单片机设置放大器和滤波器的参数，选择相应的滤波器，单片机和FPGA控制AD9851产生正弦输出信号，再经滤波、AGC后得到扫频输出信号，单片机和FPGA共同控制D／A转换器输出幅频特性曲线在示波器上显示。

3 理论分析与计算
3．1 程控放大器
    AD603的基本增益为：
    Gain(dB)：40VG+10                   (1)
    其中，VG是差分输入电压，单位是V，Gain是AD603的基本增益，单位是dB。由式1看出，以dB作单位的对数增益与电压成线性关系。由此，单片机通过简单的线性计算就可控制对数增益，从而准确实现增益步进。
3．2 程控滤波器
    编程设置MAX264的M0、M1引脚使其工作在模式1、2、3、4多种模式下，但只有模式3具有高通滤波功能,因而本系统设计采用模式3实现低通和高通滤波功能。
    模式3下的输入时钟与中心频率的关系(以下仅以低通滤波器作为分析，高通滤波器类似)为：

    fCLK/f0=π(N+13)                                (2)
    其中，fCLK为输入时钟频率，fo为滤波器中心频率,N由外部输入。
    fo与截止频率fc的关系：

  
     其中，Q为滤波器的品质因数。
    因此fCLK与fc具有函数关系，可通过设置fCLK实现fc的设置。取Q=0．707 fCLK/f=π(N+13)，实现fc的设置。
3．3 椭圆低通滤波器
    椭圆函数滤波器的衰减特性为：
    AdB=101g[1+ε2Z2n(Ω)]              (4)
    其中，ε由波纹确定，Zn(Ω)为n阶的椭圆函数，对于偶数n阶的椭圆函数，其极点和零点表示为：

    其中,m=n／2。所以对于4阶的椭圆函数滤波器,阻带和通带内波纹相等，而且阻带内的陷波点数为1。因此椭圆滤波器在通带和阻带内特性允许起伏,并具有最佳截止特性，但对元件数值要求特别严格。
    根据选用RdB=0．5 dB,Amin=70 dB,Ωs=3．91查归一化图表得C1=1．226 F，C2=0．043 80 F,L2=1．241 H，C3=1．904 F,L4=0．845 9 H,用Z=510 Ω和频率标定系数FSFT=2πfc(fc截止频率，即50 kHz)对滤波器去归一化,C′=C／(FSF×Z)，L′=L×Z／FSF，得出参数后采用Multisim仿真调整参数，并且设计相关电路测试得出如下参数：C1=6．8 nF，C2=39 pF，L2=2．2 mH+220μH=2．42 mH，C3=10 nF，L4=1 mH+620 mH=1．62 mH。其椭圆滤波器电路如图2所示。

4 硬件电路设计
4．1 程控放大电路
    该电路采用两片AD603级联实现可控增益范围为0 dB～60 dB。AD603单片增益范围为10 dB~30 dB,输入控制电压范围为0 V～l 1。其中，一级AD603电路图如图3所示。由于AD603的输入阻抗仅100 Ω，要满足系统电阻要求，必须增加输入缓冲来提高输入阻抗。另外由于前级电路影响电路噪声，须尽量减少噪声，故采用一级仪表运算放大器AD620构成的放大电路作为前级小信号放大器。

4．2 低通和高通滤波器电路
    系统设计采用引脚可编程滤波器MAX264实现低通或高通滤波器，如图4所示(衰减放大网络略)。电路设计采用单极性输入模式，其输入电压范围0 V~5 V，调理电路应将信号调理至其输入范围。调理过程：信号首先经过衰减网络使其峰-峰值为-2．5 V~+2．5 V，再由加法器将信号调节为0 V～5 V,滤波后，减法器将信号变为-2．5 V～+2．5 V,放大网络补偿平衡衰减，最后输出至有效值来转换电路。

4．3 幅频特性测试电路
    幅频特性测试电路主要是由DDS AD9851与AGC构成的扫频源、有效值转换,以及12-bit ADCMAXl97采样电路和DAC0800构成的显示电路组成。

5 系统软件设计
    系统软件设计采用软件工程设计思想，主要实现人机界面的交互，包括提示信息显示、系统状态选择、参数输入、输入参数显示、系统启动与复位。软件设计系统程序流程图如图5所示。

6 测试结果
    系统设置为放大器电压增益范围测试模式，在放大器电压增益测试端口利用Tektronix TDS1002型数字示波器观察其输出信号在不失真的情况下，测量其输出幅度，满足系统要求。
    系统分别设定为低通滤波器和高通滤波器测试模式，在放大器电压增益测试端口以及滤波器输出端口中利用Tektronix
TDS1002型数字示波器观察其输出信号在不失真的情况下，测量截止频率处及2倍截止频率处其输出幅度，各参数满足系统要求。
    系统设定为椭圆滤波器测试模式，在滤波器输入端口和滤波器输出端口采用数字示波器观察其输出信号在不失真的情况下，测量其通带内和截止频率处输出幅度。
    滤波器输入幅值为1 V时通带内最大输出幅值为1．10 V，增益为0．828 dB，满足带内起伏≤1 dB的要求。-3 dB截止频率为52 kHz，满足-3 dB通带误差不大于5%的要求。