一种新型程控滤波器的设计

1 引言
    在许多工程应用领域中信号频率的动态范围很宽。某些微机自动测试中频率在0．1~1 000 Hz之间变化；在旋转机械大型水轮机组的机械故障诊断和炮口冲击波压力场测试以及其他信号采集测量场合其信号频率在几赫兹到几千赫兹之间。因此有必要采用截止频率可以程控的滤波器对频率动态范围较宽的信号进行滤波。
    MAX263是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，由微处理器精确控制滤波函数构成各种带通、低通、高通、陷波和全通配置，且无需外部元件。MAX262含有2个二阶滤波器，在程序控制下可设置中心频率f0、品质因数Q和滤波器的工作方式。

2 系统总体设计方案
    系统总体设计包括数字和模拟两大部分。其中，数字部分包括单片机及FPGA中的放大器增益控制、时钟频率生成以及频率特性测量与显示3个模块；而模拟部分包括放大器、滤波器和幅频特性测试仪3个模块。其中放大器模块通过三级放大实现0～60 dB的增益调节，滤波器模块包括由集成滤波器MAX263构成的低通和高通滤波器以及自行设计的椭圆滤波器，而幅频特性测试仪模块则由DDS扫频信号源、有效值检波及A／D转换电路构成。详细的系统组成框图如图1所示。

3 理论分析与计算
3．1 可变增益放大器控制信号
    选用ADI公司的AD603作为可变增益放大器，该器件的增益与控制电压的关系：GAIN(dB)=40Vg+10，Vg为控制电压，改变范围为1 V。选用16位D／A转换器MAX542，用于给出双极性的控制电压，基准源取2．5 V，理论上增益步进的最小值为0．003 dB。
3．2 开关电容滤波器
3．2．1 确定滤波器Q值
    采用MAXIM公司的集成开关电容滤波器MAX263，它可以通过外接引脚编程设置滤波器的Q值。Q值与带内最大增益G(V/V)之间的关系为C=Q／[1一(1／4Q2)]1/2，为使带内尽量平坦，则使G=1，代入公式可得p=0．707，故可将滤波器的Q值设置在O．707左右。
3．2．2 频谱混叠现象
   由于时钟信号的存在，开关电容滤波器相当于一个采样系统，满足奈奎斯特采样定理。由于MAX263内部对时钟信号elk二分频，故clk/4附近及以上的信号都存在频谱混叠现象，从而使输出波形产生失真。为了解决这个问题，需要加大clk与截止频率的比值，使输入信号的频段远离时钟信号所在频段。

4 系统硬件设计
4．1 放大器电路
    放大器电路分为三级。第一级采用低噪声运放进行固定增益放大，以提高输入信号的信噪比；中间级采用可变增益放大器AD603，动态增益范围为30 dB；后级为两档程控放大，增益之差为30 dB，实现0~60 dB的增益范围。其电路如图2所示。

4．2 四阶椭圆低通滤波电路
    该电路为LC无源电路，如图3所示。根据滤波器设计手册中的归一化设计表格，查表得到所需要的电容电感值。实际测试结果为：带内摆幅小于0．5 dB，截止频率50 kHz左右。

5 系统软件设计
    系统软件设计部分遵循结构化和层次化的设计原则，由主程序及若干子程序构成。子程序主要完成放大器增益设置、滤波器参数设置、幅频特性测试及人机交互等功能，主程序则通过调用子程序控制时序。该程序以按键中断为主线，以各项功能作为分支，程序流程图如图4所示。

6 测试结果
    本系统需要测试的数据主要是放大器的电压增益和滤波器一3 dB的截止频率。测试放大器增益时，利用毫伏表测出放大器输入及输出信号的有效值，将算出的增益与程序预置值相比较；测试滤波器截止频率时，改变输入信号的频率，同时利用毫伏表测出滤波器输出及输入信号的有效值，直到两者之比为一3 dB时记录频率值，然后再与预置值相比较。对放大器增益的测试。取选100 Hz，1 kHz，40 kHz 3个频率点来测试放大器增益，将预置增益和实际增益相比较。其中100Hz和1 kHz处的增益误差小于l％，40 kHz处的增益误差小于2％。
    对截止频率的测试。在给出的10组预置值中，将实测值与预置值进行比较。测试结果表明，低通模式下截止频率的误差小于2．2％，高通模式下截止频率的误差小于2．5％。

7 结语
    本系统设计实现了预期的基本功能和指标，并且扩展了在示波器上显示幅频特性曲线的功能，同时扩大了截止频率调节范围，缩小了步进量。当然，本系统还存在某些不足，其中，高通滤波器输出波形在某些频率点有较明显失真；放大器输出波形在幅值较小时信噪比较低。