单片机的可控放大器程控滤波器设计

摘要：基于单片机设计了一种可控放大器程控滤波器。可控放大部分以可控放大器PGA203为核心，实现输出增益的动态调整；程控滤波器以开关电容滤波器LMF100为核心，使用DDS芯片AD9850产生可变的时钟，实现滤波器的截止频率可调；幅频特性测试仪采用AD9850产生扫频信号，AD837进行有效值检测，TLC5510进行A／D转换；以STC12C5A32AD单片机为控制核心，利用键盘数码管和液晶屏实现增益和截止频率的预置，以及测试和显示功能。
关键词：PGA203；LMF100；AD9850；STC12C5A32AD

1 概述
    滤波器是通信系统、信号处理和数据传送等领域中至关重要的环节，尤其在数据采集处理系统中，其性能好坏直接影响到整个系统的性能。其中，增益和截止频率是衡量有源滤波器的重要指标。为了实现增益和截止频率可调，传统的设计方法是采用调节反馈电阻和滤波电容，但要使增益和截止频率步进可调，则必须采用新的方法。
    本文设计的程控滤波器系统性能良好，采用可控放大器PGA203级联的方式实现60 dB的增益调制，增益6 dB步进可调(输入信号电压振幅为10mV)。对开关电容滤波器LMF100按不同方式级联，实现低通、高通的滤波处理，其-3 dB截止频率在1～25 kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz；设计的简易幅频特性测试仪能自动测量放大器通频带、截止频率和显示测试数据。

2 系统总体设计
    采用双机通信的方式。主机主要用来读键盘、A／D转换结果，控制液晶屏和从机。从机接到主机的命令后，控制DDS芯片AD9850产生扫频信号和时钟信号，并控制增益大小。系统结构框图如图1所示。

3 系统硬件设计
3．1 增益放大器
    如图2所示，采用4片数字控制的可编程增益放大器PGA203和TL082相结合来进行增益放大，其中TL082起微调作用。为了达到最好的效果，将滤波器放在3片PGA203和1片PGA203中间，图2中略。PGA203的数控增益范围是1、2、4、8(二进制)，对引脚1(A0)、引脚2(A1)输入不同的逻辑电平决定PGA203的放大倍数。

    一片PGA203增益与逻辑电平的关系如表1所列。经过4片PGA203级联后，该增益放大器能达到60 dB的增益调制，步进为6dB。

3．2 滤波模块
    程控滤波器主要用到LMF100。LMF100是美国国家半导体公司生产的，由两个相互独立的通用高性能开关电容滤波器组成的集成电路。它可以外接时钟和2～4个电阻，组成各种各样的带通、低通、高通、带阻和全通滤波器。LMF100有12种工作方式，其中的方式3可以实现高通、低通、带通输出。为简化电路，本文的低通和高通滤波都选择工作在方式3，用一片LMF100内的两个二阶滤波电路级联构成四阶低通滤波器，另一片LMF100构成四阶高通滤波器，由此设计的低通滤波器电路如图3所示，高通滤波器只要将连接端从连接1脚(LPA)改为连接3脚(HPA)即可。

    各参数的设置如下(将LMF100的12脚接高电平)：
   
    其中，fc为截止频率，fclk为时钟频率。令R4=R2=20 kΩ，则有：
   
    本系统要求低通和高通-3 dB的截止频率fc为1～25 kHz，由上式可算得fclk的取值范围为50kHz～1．25MHz。
   
    滤波器的时钟信号是由单片机控制DDS芯片AD9850产生的。AD9850是ADI公司推出的高集成度频率合成器。它在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之后可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出，此正弦波可直接用作频率信号源，或经内部的高速比较器转换为方波输出。输出正弦波频率fout=M·fc／2N，其中fc为外部参考时钟的频率。在本系统中采用20 MHz的参考时钟，通过公式FSM=fout×232／20000 000，可由单片机计算出频率控制字FSM。本设计需要的截止频率fc为1～20 kHz，由键盘键入，通过单片机计算后向AD9850写入相应的频率控制字，即可达到控制滤波器截止频率的要求。
3．3 幅频特性测试模块
    单片机从机控制DDS芯片AD9850产生扫频信号，由AD837对滤波器输出的信号进行有效值转换，然后通过A／D转换芯片TLC5510采样后输出给单片机处理，由单片机主机控制在液晶屏上绘制幅频特性曲线图。
3．4 液晶显示及键盘模块
    采用I2C接口键盘及LED驱动器ZLG7290提供的4x4键盘和8个数码管，可以通过键盘预置截止频率和放大增益，利用数码管显示滤波器的工作模式、截止频率等各项数据。采用液晶显示模块LM2068R显示幅频特性曲线。

4 系统软件设计
    为了解决I／O口不足的问题，同时体现模块化的设计思想，采用主机和从机双机通信的方式。主机主要用来读取键值，向从机发送相应的控制字，并显示幅频特性曲线、增益、截止频率等信息。从机开启串口接收中断，接收到主机的控制字后，在中断子程序里控制两片DDS芯片分别产生扫频信号和滤波器的时钟信号，同时，控制PGA203的输出增益。主机主程序和从机中断子程序的流程分别如图4、图5所示。

5 系统性能测试
5．1 放大器测试
    函数信号发生器产生幅度为10 mV的正弦信号送入放大模块，在模块的输出端口采用模拟示波器测量输出电压，并且进行增益为6 dB的步进调节。所得测试数据如表2所列。

5．2 滤波器测试
    滤波模块分低通和高通两个部分的测试。用数字信号发生器DG101产生正弦信号输入，用数字示波器观察滤波器的截止频率，并对其进行1 kHz的步进测试。测试数据分别如表3和表4所列。

结语
    本文介绍了一种以单片机为控制核心的程控滤波器。系统能够达到60dB的增益调制，6dB步进可调，且最大误差控制在3．75％以内；采用DDS技术，低通和高通滤波的截止频率在1～25 kHz范围内可调，步进1 kHz可调，且误差都控制在3％以内。幅频特性测试仪能较好地实现测量和显示功能。系统工作稳定可靠，性能优良，人机交互界面友好，且操作方便。