程控滤波器设计规划方案比较分析.doc

　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140 kHz。 　　综上所述，故系统的滤波器设计选用方案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、示波器显示等电路组成。其工作原理：输入信号经衰减网络衰减至10 mV，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与fc具有函数关系，可通过设置fCLK实现fc的设置。取Q=0．707 fCLK/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RdB=0．5 dB,Amin=70 dB,Ωs=3．91查归一化图表得C1=1．226 F，C2=0．043 80 F,L2=1．241 H，C3=1．904 F,L4=0．845 9 H,用Z=510 Ω和频率标定系数FSFT=2πfc(fc截止频率，即50 kHz)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=6．8 nF，C2=39 pF，L2=2．2 mH+220μH=2．42 mH，C3=10 nF，L4=1 mH+620 mH=1．62 mH。其椭圆滤波器电路如图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AD60