呂開亮 封維忠

摘 要:分析了雙二階開關(guān)電容有源帶通濾波器MAX267的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q,同時運(yùn)用AD637真有效值轉(zhuǎn)換,ADC0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)AT89C51對模擬信號進(jìn)行處理。介紹了線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達(dá)系統(tǒng)中基于MAX267的程控濾波器的設(shè)計(jì)原理及流程,給出了具體電路及程序,并提供了在濾波頻率從5~10 kHz自適應(yīng)四階帶通濾波器的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞:MAX267;程控濾波器;自動測試系統(tǒng);單片機(jī)

中圖分類號:TB559 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-047-03

Implementation of Digital Programmable Filter Based on MAX267

LV Kailiang,FENG Weizhong

(College of Information Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing,210037,China)

Abstract:The center frequency fo and quality factor Q of MAX267 CMOS active bandpass filter with dualsecond-order switched-capacitor is analyzed.At the same time,the chip microcomputer-based named AT89C51 process analog signals by using high precision wide-band RMS-to-DC converter of AD637 and A/D converter of ADC0809.In this paper,the design principle and process of digital programmable filter based on MAX267 in Linear Frequency Modulation Continuous Wave(LFMCW) radar system,and its circuits and program are introduced.Finally,the application example of fourth-order bandpass filter composed of MAX267 that adaptive frequency is 5~10 kHz in automatic detecting system is given.

Keywords:MAX267;digital programmable filter;automatic detecting system;single chip computer

濾波是信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等領(lǐng)域必不可少甚至是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。最常用的濾波器是RC有源濾波器,它是由電阻、電容以及運(yùn)算放大器構(gòu)成,并通過模擬開關(guān)選取不同的R,C的值來改變?yōu)V波器的頻率特性。對于高階有源濾波器,由于所需模擬開關(guān)很多,電路復(fù)雜,分布參數(shù)較大,截止頻率精度不高。而采用頻率特性可變的程控開關(guān)電容濾波器,用程控方法對帶寬大的信號進(jìn)行濾波的方法可以克服以上的缺點(diǎn)[1]。由于MAXIM公司生產(chǎn)的開關(guān)電容程控濾波器性價比較高,且易于程控,本文在線性雷達(dá)料位儀測試系統(tǒng)中采用了MAX267帶通有源濾波器。

1 MAX267概述

MAX267[2]內(nèi)部含有2個獨(dú)立的二階開關(guān)電容帶通濾波器,它有12個可編程輸入端,其中5個用來設(shè)置濾波器中心頻率,另外7個用來設(shè)置濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。因此,不需要外加任何元件,僅需要外部時鐘就可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能,使用極為方便。

MAX267采用24腳窄DIP封裝,各主要引腳功能如圖1所示。

INa,INb(5,1)分別為兩路帶通濾波器的信號輸入端;

BPa,BPb(2,24)分別為兩路帶通濾波器的信號輸出端;

Q0~Q6(13,14,19,20,23,6,7)為品質(zhì)因數(shù)設(shè)置輸入端,分別接低電平或高電平,可以在0.5~64之間設(shè)置濾波器的品質(zhì)因數(shù);

F0~F4(22,15,21,10,9)為濾波器中心頻率設(shè)置輸入端,分別接低電平或高電平,可以將中心頻率設(shè)置為時鐘頻率的1/197.92~1/100.53;

CLKa,CLKb(11,12)分別為兩路帶通濾波器的時鐘輸入端。

2 自適應(yīng)帶通濾波器的設(shè)計(jì)

雷達(dá)料位儀的微波單元反射信號和發(fā)射波信號在混頻器檢波電路中完成混頻,產(chǎn)生了一定的差頻信號,其中含有目標(biāo)的距離信息,但也包含了許多干擾信號[3]。為了濾除雜波,程控濾波電路由可編程開關(guān)電容帶通濾波芯片、真有效值轉(zhuǎn)換芯片、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)實(shí)現(xiàn),其原理框圖如圖2所示。

程控濾波電路[4-6]由雙二階通用開關(guān)電容有源帶通濾波器MAX267、真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637、A/D轉(zhuǎn)

換芯片ADC0809及單片機(jī)AT89C51實(shí)現(xiàn),其電路原理

圖如圖3所示。

2.1 濾波器電路

單片機(jī)AT89C51通過P1口(P1.0~P1.4)發(fā)送數(shù)據(jù)F0~F5到濾波器MAX267,通過32位的一維數(shù)組對F0~F5的32種中心頻率依次設(shè)定,濾波器輸出的信號通過AD637真有效值轉(zhuǎn)換得到直流電壓信號,再經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可讀取的數(shù)字信號,由P0口(P0.0~P0.7)讀取。單片機(jī)對該數(shù)據(jù)使用冒泡排序法儲存最大值,帶通濾波器的輸出波形最大值的中心頻率即是程控濾波器的最佳截止頻率。這是一個循環(huán)確定的過程。并且令MAX267的INb和BPa相連,從INa輸入,BPb輸出,CLKa和CLKb相連由有源1 MHz晶振輸入外部時鐘信號。這樣就構(gòu)成了四階帶通濾波器。通過查表得知對Q0,Q1,Q2設(shè)置-5 V的低電平,對Q3,Q4,Q5,Q6設(shè)置+5 V的高電平,這樣的品質(zhì)因素Q=8,此時的帶寬和增益均滿足設(shè)計(jì)需要[7,8]。

2.2 比較器電路

因?yàn)镸AX267以高于+0.5 V和低于-0.5 V為高低電平,所以通過串聯(lián)3 kΩ和1 kΩ電阻對UA741的2腳輸入約1.25 V的電壓,3腳和單片機(jī)的P1口(P1.4~P1.0)相連,形成比較器對濾波器進(jìn)行控制,當(dāng)單片機(jī)輸出高電平(+5 V)時比較器輸出+5 V電壓,當(dāng)單片機(jī)輸出低電平(0 V)時比較器輸出-5 V電壓。

2.3 真有效值轉(zhuǎn)換電路

集成芯片AD637[9,10]采用了標(biāo)準(zhǔn)真有效值電壓轉(zhuǎn)換接法。3腳,4腳接地,6腳和9腳相連,10腳接負(fù)電源,11腳接正電源,只有兩個外接元件,一個是接到輸入管腳的隔直電容C5為103,另一個是接在8腳和9腳間的濾波電容C6為10 μF。把原先輸出端9腳接到芯片自帶緩沖放大器的輸入端1腳,由緩沖器輸出端14腳輸出可以提高輸出端帶負(fù)載的能力。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

ADC0809[11]是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,CMOS工藝。由于只有一路模擬量輸入,所以通道選擇信號A、B、C全部接地從而選擇通道IN0。采集頻率由6 MHz經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部6分頻,再經(jīng)過芯片14024二分頻得到的500 kHz。開始信號START和ALE信號相連接至P2.2,這樣在信號的前沿寫入(鎖存)通道地址,緊接著在其后沿就啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC接至P2.1,采用查詢方式等到其為高電平時才繼續(xù)向下執(zhí)行程序。輸出使能信號OE控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù), OE=1時輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出8個口分別與單片機(jī)P0口的8個端口相連,得到的數(shù)據(jù)給中間變量vol儲存進(jìn)行比較。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)程序經(jīng)調(diào)試后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際測試,以輸入頻率6.2 kHz,0.1 V為例,運(yùn)行程序自動搜尋的結(jié)果為:示波器觀察MAX267輸出波形如圖4所示,波形2為輸入波形,每格幅值為50 mV,波形1為輸出波形,每格幅值為2 V。橫坐標(biāo)均為時間,每格為50 μs。萬用表測量AD637輸出電壓為3.56 V。

I_max是單片機(jī)對濾波器最終控制字的輸入,也是輸出電壓值最大的濾波器控制字。I_max=0x13,查表得知0x13的N值為19,f_clk/f0=160.22,外部時鐘使用的是1 MHz晶振,所以通過計(jì)算得知其中心頻率f0應(yīng)為6.241 kHz,與預(yù)期相符。

多次改變輸入信號的頻率,其結(jié)果如表1所示。比較輸入信號和程序自動運(yùn)行搜索到的最佳濾波器中心頻率,結(jié)果近似。所以可以確定該帶通濾波器濾波效果良好,滿足設(shè)計(jì)需求。

4 計(jì)算機(jī)流程圖

采用Keil C進(jìn)行編程,軟件流程圖如圖5所示。

5 結(jié) 語

介紹了基于MAX267開關(guān)電容濾波器芯片,AD637真有效值轉(zhuǎn)換芯片,89C51單片機(jī)的程控濾波器。經(jīng)測試表明該系統(tǒng)濾波效果良好,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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作者簡介 呂開亮 男,1983年出生,在讀碩士研究生。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控技術(shù)。

封維忠 男,副教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控技術(shù)。