基于FPGA的程控滤波器的设计

摘要：以单片机和可编程逻辑器件(FPGA)为控制核心，设计了一个程控滤波器，实现了小信号程控放大、程控调整滤波器截止频率和幅频特性测试的功能。其中放大模块由可变增益放大器AD603实现，最大增益60dB，10dB步进可调，增益误差小于1％。程控滤波模块由MAX297低通滤波、TLC1068高通滤波及椭圆低通滤波器构成，滤波模式用模拟开关选择。本系统程控调整有源滤波的-3 dB截止频率，使其在1～30 kHz范围内可调，误差小于1．5％。此外，采用有效值采样芯片AD637及12位并行A／D转换器MAX120实现了对扫频信号幅度的测量。
关键词：程控滤波器；可变增益放大；截止频率可调；幅度测量

    滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，可用于对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除。它在电子领域中占有很重要的地位，在信号处理、抗干扰处理、电力系统、抗混叠处理中都得到了广泛的应用。而对于程控滤波器，该系统的最大特点在于其滤波模式可以程控选择，且-3 dB截止频率程控可调，相当于一个集多功能于一体的滤波器，将有更好的应用前景。此外，系统具有幅频特性测试的功能，并通过示波器显示频谱特性，可直观地反应滤波效果。

1 方案论证与选择
1．1 可变增益放大模块的设计与论证
    方案1：数字电位器控制两级INA129级联。用FPGA控制数字电位器DS1267使其输出不同的阻值，作为高精度仪表放大器INA129的反馈电阻。通过控制数字电位器来改变INA129的放大倍数，从而实现放大器的增益可调。
    方案2：采用可变增益放大器AD603实现。可变增益放大器内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型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；可通过单片机控制，由DAC产生精确的参考电压控制增益，从而实现较精确的数控。
    由于输入的正弦小信号振幅10 mV，电压增益60 dB，10 dB步进程控可调，且电压增益误差不能大于5％。对精度而言两个方案都可实现，在AD603后再加一级放大也可实现60 dB的放大倍数。但数字电位器内部结构复杂，有电容影响，后级接运放后会带来意想不到的后果，因此采用方案2。
1．2 滤波器模块的设计与论证
    方案1：采用数字滤波器。利用MATLAB的数字滤波器设计FIR或者IIR滤波器。数字滤波器具有精度高，截止特性好等优点。但是FIR滤波器会占用太多FPGA资源，IIR滤波器设计时工作量大且稳定性不高，且要使截止频率可调，必须使用不同的参数，设计起来软件量比较大。
    方案2；采用无源LC滤波器。利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器。参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易地设计出理想的滤波器。但是如果要截止频率可调，只有改变电感电容参数，硬件会非常复杂。
    方案3：采用集成的开关电容滤波器芯片。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。其开关电容组在时钟频率的驱动下，可以等效成一个和时钟频率有关的等效电阻。当用外部时钟改变时，等效电阻改变，从而改变了滤波器的时间常敦，也就改变了滤波特性。开关电容滤波器可以直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要A／D、D／A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。
    综上所述，本系统采用方案3，利用集成芯片MAX297实现低通滤波器，利用LTC1068实现高通滤波器；采用方案2，利用无源LC滤波器技术来实现四阶椭圆低通滤波器。

2 系统总体设计方案及实现方框图
    本系统以单片机及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构成。系统框图如图1所示。输入振幅为1 V的信号经分压网络衰减后变成振幅10 mV的小信号，经OPA690前级放大2倍，同时起到阻抗变换和隔离的作用。与此同时由AD9851产生一设定频率的正弦信号，通过模拟开关选择一道送到后级。信号由程序控制AD603进行0～60dB的可调增益放大后，送入滤波模块。滤波模块包括低通、高通、椭圆滤波器，其中低通、高通由程序控制-3 dB截止频率在1～30 kHz范围内可调，步进1kHz。椭圆滤波器截止频率50 kHz。再通过模拟开关选择某一特定滤波信号输出，经有效值检波和A／D转换后送入FPGA进行幅频特性的测试，再用两块DAC0800实现幅频特性曲线的显示。

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。第一部分是一个分压网络，其中前4个电阻将输入信号衰减100倍，并与信号源内阻共同构成51Ω阻抗，后面的51Ω为匹配电阻。第二部分采用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输入阻抗为100Ω，所以在后面串接一个100 Ω的电阻进行匹配。第三部分即为AD603可变增益放大，它的增益随着控制电压的增大以dB为单位线性增长。1脚的参考电压通过单片机进行运算并控制DAC芯片输出电压来得到，从而实现精确的数控。增益G(dB)=40VG+G0，其中VG为差分输入电压，范围-500～500mV；G0是增益起点，接不同反馈网络时也不同。在5、7脚间接一个5kΩ的电位器，从而改变。

3．2 高通滤波模块
    LTC1068是低噪声高精度通用滤波器，当其用于高通滤波时，截止频率范围1 Hz～50 kHz，并且直至截止频率的200倍都无混叠现象。由于LTC1068的4个通道都是低噪声、高精度、高性能的2阶滤波器，因此每个通道只要外接若干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。其中B端口Q值0．57，A端口Q值约为1。在电路的调试中发现，A口的Q值需比B口Q值大，否则信号在截止频率处幅值会有上翘。

    LTC1068的时钟频率与通带之比为200：1，由于LTC1068内部对时钟信号CLK二倍频，所以当截止频率最小为1 kHz时，内部时钟频率其实为400kHz，故在LTC1068后面再加一个截止频率为450kHz的低通滤波器以滤除分频带来的噪声及高次谐波。
3．3 低通滤波模块
    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，即可满足滤波器-3 dB截止频率在1～20kHz范围内可调，步进1 kHz的要求。
    在使用MAX297时要注意的是，当信号频率和采样辨率同频，开关电容组在电容上各次采到相同的幅度为信号幅值的信号，相当于输入信号为直流的情况，使滤波器输出一个直流电平。同理，当信号频率为采样频率的整数倍时，也会出现相同的现象。为此，在其前面，要增加模拟低通滤波器，把采样频率及其以上的高频信号有效地排除。故又用一级MAX297，截止频率设置为50kHz。其中时钟频率设置为2．5 MHz。在其后面，也要增加低通滤波器，其截止频率为150 kHz，以滤去信号的高频分量，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
    系统要求制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1 dB，-3 dB通带为50 kHz，采用无源LC椭圆低通滤波器来实现。用Filter Sol ution模拟仿真滤波器，随后在Multisim中再模拟仿真并调整电容、电感的参数使其为标称值。此外，在椭圆滤波器前后接射级跟随器避免前后级影岣。具体电路如图5所示。

4 系统软件设计
    系统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、低通和椭圆滤波器，可以设置截止频率，同时可以显示幅频曲线。其中单片机主要完成用户的输入输出处理和系统控制，FPGA主要完成的功能有：控制AD9851产生扫频信号、控制滤波器截止频率的时钟信号的产生以及控制两块D／A以显示幅频特性曲线。程序流程图如图6所示。

5 测试方案与测试结果
5．1 放大器测试
    放大器输入端的正弦信号频率为10 kHz，振幅为10 mV，设定增益大小分别为10、20、30、40、50、60dB，用示波器测量实际输出幅值，计算出实际增益，其误差小于1％。此外，测得放大器通频带为1～200kHz。
5．2 低通、高通滤波器测试
    将放大器增益设置为40dB，滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器截止频率在1～30 kHz范围，步进为1kHz。用示波器测量实际截止频率，计算相对误差小于1．5％，且2fc处的电压总增益小于20dB。高通滤波器测试方法同理。
5．3 椭圆滤波器测试
    放大器增益设置为40 dB，用示波器测量实际-3 dB截止频率和200 kHz处的总电压增益。测得fc=50．0kHz，在150 kHz处幅度就已几乎衰减到0。
5．4 幅频特性与相频特性测试
    测量低通、高通滤波器的频率特性，在示波器上显示其幅频特性曲线，与所设置的滤波模式及截止频率相符。

6 结束语
    本系统放大器增益范围10～60 dB，通频带1～200 kHz，增益误差小于1％。滤波器截止频率范围1～30kHz，误差小于1．5％。椭圆滤波器截止频率误差为0，在150 kHz处幅度几乎衰减到0。误差主要来源于时钟频率，当截止频率为20 kHz的时候，所需最高的时钟频率为2MHz，不能保证很好的时钟沿，而且时钟频率也不可能精确地控制，以及放大器的非线性误差。此外，利用DAC0800和有效值检波电路实现了幅频特性测试仪，系统整体性能良好。整个系统在单片机和FPGA的有机结合、协同控制下，工作稳定，测量精度高，人机交互灵活。