程控滤波器设计方案比较分析

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1、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140kHz。　　综上所述，故系统的滤波器设计

2、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

3、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

4、组成。其工作原理：输入信号经衰减网络衰减至10mV，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

5、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

6、与fc具有函数关系，可通过设置fCLK实现fc的设置。取Q=0．707fCLK/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R

7、dB=0．5dB,Amin=70dB,Ωs=3．91查归一化图表得C1=1．226F，C2=0．04380F,L2=1．241H，C3=1．904F,L4=0．8459H,用Z=510Ω和频率标定系数FSFT=2πfc(fc截止频率，即50kHz)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=6．8nF，C2=39pF，L2=2．2mH+220μH=2．42mH，C3=10nF，L4=1mH+620mH=1．62mH。其椭圆滤波器

8、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0dB～60dB。AD603单片增益范围为10dB~30dB,输入控制电压范围为0V～l1。其中，一级AD603电路图如图3