李 煜，高天德

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

在通信系統(tǒng)中，信號的頻譜是由無限多的頻率分量組成，這些分量包括各次諧波和混疊分量[1]，所以必須使用濾波技術(shù)加以抑制。因此，濾波器是非常重要的組成部分。隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)連續(xù)時(shí)間濾波器的研究是現(xiàn)代國內(nèi)外電路與系統(tǒng)學(xué)界研究的前沿課題，在各種通信和信號處理領(lǐng)域中有著很廣泛的應(yīng)用。文中介紹了一種8通道模擬帶通濾波器。它可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)通道信號同時(shí)輸入輸出，并且對模擬信號進(jìn)行不同檔位的放大與濾波[2]。并且輸入信號動態(tài)范圍大，300～500 kHz的通頻帶能滿足超聲信號的處理。

1 濾波器簡介

1.1 帶通濾波器工作原理

帶通濾波器只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。實(shí)際上是由一個(gè)低通濾波器和高通濾波器級聯(lián)組成的，帶通濾波器的上限截止頻率是低通濾波器的上限截止頻率，帶通濾波器的下限截止頻率是高通濾波器的下限截止頻率。

1.2 常用濾波器的比較

典型的模擬濾波器有巴特沃斯（Butterworth）濾波器、切比雪夫（Chebyshev）濾波器和橢圓（Ellipse）濾波器等。其中，巴特沃斯濾波器又叫最平坦響應(yīng)濾波器，它的響應(yīng)最為平坦[3]，其頻率響應(yīng)在通帶和阻帶中都是單調(diào)的，且在靠近零頻處最平坦，而在趨向阻帶時(shí)衰減單調(diào)增大，缺點(diǎn)是從通帶到阻帶的過渡帶寬，對于帶外干擾信號的衰減作用弱。切比雪夫?yàn)V波器又分為切比雪夫I型濾波器和切比雪夫II型濾波器。切比雪夫I型濾波器在整個(gè)通帶內(nèi)紋波最小，在阻帶內(nèi)隨頻率單調(diào)遞增；切比雪夫II型濾波器在通帶內(nèi)隨頻率單調(diào)遞增，在整個(gè)阻帶內(nèi)的紋波最小，它們的過渡帶較巴特沃斯濾波器陡峭[4]。橢圓濾波器在通帶和阻帶內(nèi)都是等紋波，但是對部件的要求較高。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1）功能要求

實(shí)現(xiàn)8個(gè)通道的模擬信號的輸入輸出，每個(gè)通道都有×1、×10、×100 3種增益檔位。頻帶內(nèi)響應(yīng)平坦，頻帶外截止特性明顯。具有輸入過壓保護(hù)，輸出電流超限保護(hù)和抗電磁干擾能力。

2）關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

頻帶：300～500 kHz

通帶紋波：0.01 dB

時(shí)域響應(yīng)：＜100 μs

信號板供電電壓：±15 V

芯片供電電壓：±15 V、±5 V

信號輸入電壓（峰-峰值）：100 mV （×100 檔位）、1 V（×10檔位）、10 V（×1 檔位）

信號輸出電壓（峰-峰值）：100 mV （×100 檔位）、1 V（×10檔位）、10 V（×1 檔位）

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成，包括變壓器、電源板、信號板。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中變壓器用來輸出20 V交流電壓，再通過電源板的整流濾波電路輸出±15 V直流電壓給信號板供電。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General network structure diagram of the system

2）信號前級放大設(shè)計(jì)

采用VCA810壓控放大芯片，具有±40 dB的信號放大作用，它的增益特性曲線如圖2所示。

在電路中加入分壓電阻和可調(diào)電阻來控制芯片輸入端電壓即可實(shí)現(xiàn)信號不同放大倍數(shù)輸出。此外，每一路中都加入了穩(wěn)壓基準(zhǔn)以獲取±5 V電壓，為VCA810和增益通道選取提供工作電壓。本設(shè)計(jì)中的信號增益是×1、×10、×100檔位，即0 dB、20 dB、40 dB 3種放大倍數(shù)。檔位選擇電路采用多路復(fù)用芯片來實(shí)現(xiàn)，通過提供邏輯高低電平的組合00、01、10、11來控制3種檔位通道的選通，另外一種組合為預(yù)留檔位提供。其中一個(gè)通道的檔位選擇電路原理圖如圖3所示，S1A～S4A、S1B～S4B 為信號輸入端，DA、DB、為輸出端，A0、A1 為電平控制端。EN為使能端，高電平有效。

圖2 VCA810增益特性曲線圖Fig.2 The gain curve of VCA810

圖3 檔位選擇電路原理圖Fig.3 Schematic of gear selection circuit

3）信號后級濾波設(shè)計(jì)

通過上文中常用濾波器比較的敘述，本設(shè)計(jì)利用濾波器設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了切比雪夫I型的級聯(lián)濾波結(jié)構(gòu)[5]。如圖4所示，實(shí)際上是一個(gè)4階負(fù)反饋放大電路，根據(jù)300～500 kHz的帶寬要求，通過中心頻率計(jì)算公式得出中心頻率為387 kHz。在電路設(shè)計(jì)中選取240 kΩ的輸入電阻，在仿真過程中對其他阻容值同樣選取標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合、調(diào)試，最終達(dá)到預(yù)期要求。

圖4 濾波電路結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of filter circuit

3 系統(tǒng)測試

3.1 系統(tǒng)測試流程

系統(tǒng)實(shí)測流程圖如圖5所示，每個(gè)通道的測試過程可概述為：連接好電源、信號源、示波器、測試電路，確定電路連接沒有錯(cuò)誤后選取×1檔位，開啟信號源與示波器，給其中一個(gè)通道輸入387 kHz，10Vp-p的正弦波，在示波器上觀察此通道輸出是否為10Vp-p的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，如果符合標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整輸入信號頻率300～500 kHz測試頻帶內(nèi)的波形平坦度，如果不符合，調(diào)整電路中的可調(diào)電阻來控制放大倍數(shù)，最終得出符合要求的輸出波形。記錄結(jié)束后換取×10、×100檔位，選擇對應(yīng)的輸入正弦波信號，其中×10對應(yīng) 1Vp-p，×100對應(yīng)100mVp-p，重復(fù)以上步驟，完成3個(gè)檔位的測試。

圖5 系統(tǒng)測試流程圖Fig.5 The system testing flow chart

3.2 軟硬件協(xié)同測試

本系統(tǒng)測試?yán)肔abVIEW虛擬儀器軟件編寫了一套掃頻測試程序，程序中主要包含虛信號源、示波器和頻率響模塊，通過循環(huán)結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘控制、數(shù)值運(yùn)算、賦值等步驟來完成信號的收發(fā)、存儲和以及頻率跳變，本測試系統(tǒng)的LabVIEW后面板簡明線條圖如6所示。

圖6 系統(tǒng)測試程序圖Fig.6 Program graph of the test system

在本程序中，利用NI的VISA插件，選用與實(shí)驗(yàn)室的信號源和示波器相符合的模擬信號源與模擬示波器，通過信號源與示波器的網(wǎng)口與電腦的usb接口連接，實(shí)現(xiàn)了信號的自動掃頻測試，測試前面板及信號波形圖如圖7所示。其中，信號的起始頻率，截止頻率，頻率跳變寬度，輸入幅值都可以根據(jù)要求自行測試設(shè)定。

圖7 測試面板與信號波形圖Fig.7 Test panel and signal waveform figure

3.3 測試結(jié)果

中心頻率下信號輸入輸出測試記錄表如表1所示，其中輸入輸出電壓均為峰峰值。

掃頻測試[6]：在×1、×10、×100 的增益條件下，分別用信號源輸出10 V、1 V、100 mV峰峰值電壓，在每次測試中保持輸入信號幅值不變，調(diào)整信號源頻率，跳變步長為1 kHz，頻率范圍是300～500 kHz。測試結(jié)果如表2所示。

表1 中心頻率下測試結(jié)果Tab.1 Test result of center frequency

表2 掃頻測試記錄表Tab.2 Frequency sweep test records

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)8通道模擬帶通濾波器。針對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，利用 Altium Designer、Multisim、Filter Solutions等EDA軟件，結(jié)合硬件電路搭建，芯片選型、焊接、最終調(diào)試成功。 此濾波器可滿足 300～500 kHz，幅值為 100～10 V（峰峰值）信號平穩(wěn)放大與濾波，放大范圍為0～40 dB。此外，此裝置電路結(jié)構(gòu)清晰，布局工整，有較強(qiáng)的可移植性和可升級性。

[1]劉聯(lián)會，李玉魁.高頻電路及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M].北京：高等教育出版社，2006.

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LI Li.Design of band pass filter based on MAX267[J].Computer and Communication and Signal，2009，18（12）:42-44.

[4]閻毅，黃聯(lián)芬.數(shù)字信號處理器[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.

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ZHANG Ya，HUANG Ke-ping.The design of active analog filter[J].Electronic Science and Technology，2009，22（1）:9-12.

[6]姚福安，徐衍亮.高性能多階有源帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2005，19（2）：20-25.

YAO Fu-an，XU Na-liang.Design of High performance highorderactive band-pass filter[J].JournalofElectronic Measurement and Instrument，2005，19（2）:20-25.