摘 要：提出了一種程控濾波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，利用單片機(jī)對(duì)測(cè)量放大器的放大部分和濾波器的截止頻率進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生輸入信號(hào)，鍵盤輸入要設(shè)置的參數(shù)，觀察輸出波形并測(cè)量數(shù)據(jù)。在信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍不是很寬的場(chǎng)合，應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)出來(lái)的濾波系統(tǒng)不僅測(cè)量精度較高，成本低，而且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：有源濾波器；程控濾波；放大器；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN713文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)1905403

Design of a Programmable Filtering System

HU Tao，DU Yuren，SHI Zhifeng

(College of Information Engineering，Yangzhou University，Yangzhou，225009，China)

Abstract：The paper introduces a method for programmable filtering system.The single chip computer is used for center controller，designing the enlarge part of instrumentation amplifier and the cutoff frequency of filter.Input signal is generated from signal generator，keyboard inputs the setting parameters，observes the output waveform and measures data.The filtering system with this method not only has better measurement accuracy and low cost but also is easy to realize.It is the same with the occasion of the frequency signal which is not very wide dynamic range.

Keywords：active power filter;programmable control filtering;amplifier;single chip computer

1 引 言

濾波是數(shù)據(jù)采集，信號(hào)處理，通信系統(tǒng)和工程測(cè)試等領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)，如A/D采樣前的抗混疊濾波和D/A轉(zhuǎn)換后的平滑濾波。濾波網(wǎng)絡(luò)的理論逼近問(wèn)題早在二十世紀(jì)三四十年代就已解決，但濾波器的綜合技術(shù)由于其網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)的實(shí)際選擇和調(diào)試問(wèn)題的難度，一直沒(méi)有長(zhǎng)足的發(fā)展。近年來(lái)雖然有開(kāi)關(guān)電容式專用集成芯片問(wèn)世，但其價(jià)格不菲，電路的噪聲也很大。

在信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍不是很寬的的場(chǎng)合，可以采用多種截止頻率的濾波器，用程控方法對(duì)頻率動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)進(jìn)行濾波。本文提出了一種程控濾波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用電阻、電容以及運(yùn)放構(gòu)成，并通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選取不同的阻值以實(shí)現(xiàn)截止頻率的改變，采用RC有源濾波器電路設(shè)計(jì)，這樣的實(shí)現(xiàn)電路較簡(jiǎn)潔，精度高而且調(diào)試方便，成本低。

2 放大電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要實(shí)現(xiàn)60 dB增益指標(biāo)和40 kHz帶寬，用一級(jí)運(yùn)放很難達(dá)到這樣的帶寬增益積，因此放大電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器和模擬開(kāi)關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。采用同相放大器有較高的輸入阻抗。前級(jí)放大器A1增益選的較高為40 dB，可以提高切換部分的信噪比，后級(jí)A2增益為20 dB。OP37的運(yùn)放可以滿足帶寬增益積的要求，由于是交流放大器，失調(diào)電壓沒(méi)有影響，不必加平衡電阻以簡(jiǎn)化電路。

圖1 放大與增益調(diào)整原理圖

切換開(kāi)關(guān)選用8檔的模擬開(kāi)關(guān)CD4051。按10 dB間隔，可以實(shí)現(xiàn)的增益分別為60 dB，50 dB，40 dB，30 dB，20 dB，10 dB，0 dB，-10 dB。10 dB增益衰減對(duì)應(yīng)放大倍數(shù)3.162 28倍，可得到如下的電阻計(jì)算公式：

R1+R2R1=3.162 28

R1+R2+R3R1+R2=3.162 28

以此類推，可得到其他電阻的值的計(jì)算公式，取R1=100 Ω。

3 濾波電路設(shè)計(jì)

濾波器由高通濾波器和低通濾波器電路組成，用開(kāi)關(guān)(繼電器)來(lái)切換它們。設(shè)計(jì)的濾波器是在電容值不變的情況下，改變電阻的值來(lái)產(chǎn)生不同的截止頻率。設(shè)計(jì)截止頻率為1~20 kHz，步進(jìn)1 kHz的濾波器。參考《有源濾波器精確設(shè)計(jì)手冊(cè)》設(shè)計(jì)2階增益為1的巴特沃斯濾波器。

又因?yàn)樵谌缦略O(shè)計(jì)的電路中fc=12πR1C1R2C2，在保證電容值不變的情況下，電阻值必須按比例關(guān)系變化。先算出截止頻率10 kHz時(shí)的C1，C2，R1，R2的值，然后在其他截止頻率時(shí)，電阻R1′=10×103fc×R1，電阻R2′=10×103fc×R2。

3.1 低通濾波器電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)截止頻率為1~20 kHz的低通濾波器，步進(jìn)1 kHz，參考《有源濾波器精確設(shè)計(jì)手冊(cè)》原理圖如圖2所示，計(jì)算公式如下：

C2=10/fc

C1≤［B2+4C(K-1)］C24C=B2C24C

R1=2{BC2+［B2 + 4C(K-1)］C22-4CC1C2}ωc

=2{BC2+［B2C22-4CC1C2］}ωc

R2=1CC1C2R1ω2c

查表得參數(shù)B=1.414 214，C=1.000 000。以此類推可以得到電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值，實(shí)際電阻值可以適當(dāng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。運(yùn)放增益帶寬要求不高，同樣可以用OP37。20檔頻率用兩個(gè)16檔的模擬開(kāi)關(guān)CD4067切換電阻完成。為了減少模擬開(kāi)關(guān)分布電容的影響，把開(kāi)關(guān)切換位置選在低阻抗的節(jié)點(diǎn)上，即R1連接輸入端口和R2連接運(yùn)放的端口。后者盡管不是低阻抗節(jié)點(diǎn)，但它與C2并聯(lián)，可以調(diào)控C2的數(shù)值來(lái)補(bǔ)償。

圖2 二階巴特沃斯低通濾波器原理圖

3.2 高通濾波器電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)截止頻率為1~20 kHz的高通濾波器，步進(jìn)1 kHz，參考《有源濾波器精確設(shè)計(jì)手冊(cè)》原理圖如圖3所示，計(jì)算公式如下：

C1=C2=10/fc

R2=4C［B+B2+8C(K-1)］ωcC1=2CBωcC1

R1=Cω2cC21R2

查表得參數(shù)B=1.414 214，C=1.000 000。以此類推可以得到電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值，實(shí)際電阻值可以適當(dāng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。運(yùn)放仍選用OP37，模擬開(kāi)關(guān)切換節(jié)點(diǎn)選在低阻抗的R2接地端和R1接輸出端的位置。

圖3 二階巴特沃斯高通濾波器原理圖

4 程控濾波電路設(shè)計(jì)

在上述電路的基礎(chǔ)上，程控濾波電路的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 程控濾波電路原理圖

5 測(cè)量數(shù)據(jù)

截止頻率的測(cè)試，在放大器增益為40 dB下測(cè)得的。鍵盤輸入截止頻率，然后調(diào)節(jié)輸出波形幅度為輸入波形幅度的0.707倍，看信號(hào)發(fā)生器上顯示的頻率。

表1為截止頻率分別為1 kHz，9 kHz，20 kHz下的測(cè)量數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)從可以得出測(cè)量頻率的誤差都比較小，精度較高。

表1 測(cè)量結(jié)果

截止頻

率 /kHz測(cè)試高通fc /kHz誤差測(cè)試低通fc /kHz誤差低通2fc衰減分貝高通0.5fc衰減分貝

11.022.0%0.9950.5%12.412

55.153.0%5.255%12.412.4

99.841.8%9.192.1%1212.1

1514.761.6%15.674.5%12.212.2

2020.52.5%20.442.2%12.412

6 結(jié) 語(yǔ)

本文利用單片機(jī)AT89S52來(lái)完成對(duì)程控濾波器系統(tǒng)的控制，采用的是基本的放大和濾波電路和模擬開(kāi)關(guān)控制電阻網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，通過(guò)單片機(jī)對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，來(lái)得到需要的濾波電路。測(cè)量數(shù)據(jù)精度較高，很好地完成了程控濾波器的設(shè)計(jì)工作。

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作者簡(jiǎn)介

胡 濤 男，1986年出生，揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院2004級(jí)電子信息工程專業(yè)學(xué)習(xí)。研究方向?yàn)殡娮訙y(cè)量。

杜宇人 男，1962年出生，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娮訙y(cè)量、圖像處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文