课程设计（论文）-程控有源滤波器设计

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1、程控有源滤波器设计摘要：滤波器广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制领域,但设计可变宽频带有源滤波器则比较困难。利用单片机控制参数可编程的双二阶通用开关电容有源滤波器,精确设置有源滤波器的中心频率f，品质因数Q及有源滤波器的工作方式。本系统主要分为两个部分:即程控滤波器和程控放大器。程控放大器电压增益为40dB，通过单片机控制DA进行分压，可精确实现要求的10dB步进，误差小于0.5%，通带为100Hz-500KHz，输入电压峰－峰值范围为10mV，在输入范围内无明显失真。由MAX264为核心的滤波器，可设置为高通、低通滤波器。通过单片机直接给出控制频率，使-3dB截止频率在1

2、KHz-20KHz内可调，步进1KHz，误差小于1%。整个系统以52单片机为控制核心，电路简单，性能稳定，且具有较高精度，滤波参数调节通过单片机控制，较为方便。关键词：程控放大器；DA转换器的电阻网络；开关电容滤波器一、方案论证与选择题目任务要求及相关指标分析题目要求设计并制作程控滤波器，放大器增益可设置，低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。其参考原理框图如图1所示。题目要求放大器输入正弦信号电压振幅10mV，电压增益60dB，10dB步进可调，电压增益误差不大于5%。滤波器可设置成低通或高通滤波器，-3dB截止频率在1k-20kHz范围内可调，步进1kHz。低通滤波器

3、在2fc，高通滤波器在0.5fc处总电压增益不大于30dB。制作四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB，-3dB通带误差不大于5%。制作一个简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号的频率变化范围是100Hz～200kHz，频率步进10kHz。经分析，本系统的设计主要分以下部分：可变增益放大器，高通滤波器，低通滤波器，四阶椭圆低通滤波器，有效值检波。难点在于放大器增益误差<5%，四阶低通椭圆滤波器的设计。二、方案的比较与选择1、程控放大部分的方案设计与选择方案一：如上图所示，将运算放大器调整为40d

4、B固定放大倍数作为前级放大，输出信号经由若干串联电阻分压分别输出10~40dB放大的信号。用单片机控制模拟开关对上述输出的信号进行切换即可实现10dB步进。该方案实现起来非常简单，成本低廉。但由于放大倍数为40dB，即最小电阻值为总阻值的1/100，很难兼顾其精度，而电阻均只能取其标称值，且阻值精度一般不高，不可避免引入一系列误差，再加上模拟开关的阻值受环境因素影响较大，系统整体精度无法很好的控制。方案二：如上图所示，用单片机控制数字电位器改变运算放大器反馈电阻值，从而改变运算放大器闭环的放大倍数。由于是改变放大器的放大倍数，使得在低倍数放大时，可接受较大幅度的输入信号。由于数

5、字电位器的抽头数一般较多，可实现更小的步进。但数字电位器由于两端电阻的存在，使得控制字与实际电阻值在一定程度上呈非线性。且数字电位器阻值误差较大，因此该方案对软件编写要求较高，且软件通用性很差。方案三（选用方案）：在本套方案将放大器固定为40dB增益，再通过DA转换器的电阻网络进行分压后输出。DA转换器的电阻网络可由单片机进行控制，且精度非常高，在本套设计中使用TI公司的12位DA转换器TLV5618,其转换精度可达到1／4096，完全满足要求。而放大器使用固定的电阻接成40dB放大，因而可以保证在整个通带内增益不变，稳定性较好，且容易实现。因而最后选定本套方案作为最终程控增益

6、部分的方案。2、程控滤波部分的设计方案与选择方案一：先按照传统模拟滤波器的方法设计一个符合要求的模拟低通（或高通）滤波器，再用数字电位器代替其中固定电阻，利用单片机控制数字电位器改变其阻值，以达到调节滤波参数的目的，最后用运算放大器接成减法器对原信号与滤波信号进行求和处理便可得到相应的高通（或低通）输出。该方案成本低廉，实现起来也较为简单，由于模拟滤波器设计已经很成熟，有现成的资料可供查阅。但是系统精度很低，首先由于滤波器的滤波参数与待调电阻往往不是简单的线性关系，因此对电阻值误差比较敏感，其次，数字电位器的精度不是很高，虽然10位的数字电位器可以实现1024抽头，但是阻值误差

7、较大，因此会给系统带来更大误差，不能满足设计要求。方案二：该方案中采用数字滤波的方法，先用AD对信号进行数字化，再经由DSP或者FPGA进行FFT变换、滤波，最后由DA输出为模拟信号。该方案不仅具有很高的精度，而且滤波器参数设计极为灵活，不仅能方便调节滤波器各种参数，甚至连滤波器种类、阶数等都可方便调节，功能极其强大。但是整套设备成本太过昂贵，且实现较为复杂，对硬件知识以及软件编程都有很高的要方案三（选用方案）：利用开关电容原理制成的集成模拟滤波器芯片，可由外部振荡器控制开关电容的频率达到改