粟向軍，榮軍，陳松，章小龍

(湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽414006)

簡易程控聲波濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)*

粟向軍*，榮軍，陳松，章小龍

(湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽414006)

設(shè)計了一個能對10 Hz～60 kHz的聲波信號進行精確程控濾波器系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STM32F103單片機作為控制核心，使用精密運放NE5532構(gòu)成電壓跟隨緩沖部分，提高了系統(tǒng)濾波的精確性。程控濾波器采用CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器MAX262構(gòu)成，可通過微處理器STM32F103精確控制濾波器的傳遞函數(shù)，在不需外部元件的情況下就可以構(gòu)成各種帶通、低通以及高通濾波器;系統(tǒng)性能指標(biāo)精度比較高，工作可靠，人機交互以及用戶界面非常友好。

濾波器;數(shù)字控制;功率放大

在聲波信號處理過程中，輸入信號通常是夾雜有復(fù)雜噪聲的信號，而且噪聲和干擾的頻率是變化的，為了得到高信噪比的輸出信號，就要求濾波電路具有智能程控濾波功能，即能夠根據(jù)干擾、噪聲頻率的不同而改變信號處理電路的濾波器設(shè)置，從而獲得比較高的信噪比的信號以供后級電路處理，從而提高整個系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，這種電路就被稱為濾波器［1］。大部分有源濾波器通常由運放和RC獨立元件構(gòu)成，想改變輸出頻率特性的時候可以通過改變RC網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。使用運放和可改變元件參數(shù)的RC網(wǎng)絡(luò)，可以方便地組成各種頻率特性的濾波器，缺點在于對元器件的參數(shù)精度要求比較高，電路設(shè)計復(fù)雜，濾波器特性一旦設(shè)計完成，改變非常困難，在這種情況下，對于一些輸入信號頻率和幅度動態(tài)范圍很寬，或者要求保證截止頻率精度的場合使用受到限制［2-3］。為了解決以上問題，本文研究了一種簡易的數(shù)字濾波器，可靠地提高了濾波器的性能和指標(biāo)的同時避免了傳統(tǒng)有源濾波器電路濾波特性參數(shù)精度不高、電路復(fù)雜、設(shè)計和調(diào)試麻煩等難題。

1 濾波器理論分析

設(shè)計濾波器的一般步驟是首先根據(jù)要求設(shè)計濾波器的特征指標(biāo)比如中心頻率、通帶截止頻率、阻帶截止頻率、衰減要求等，確定設(shè)計濾波器的主要參數(shù)比如Q值，以及傳輸函數(shù)，然后根據(jù)傳輸函數(shù)求得具體電路，真正的這種原始的濾波器設(shè)計方法，計算煩瑣，很容易出錯，且設(shè)計精度也不高，調(diào)試過程工作量大，整個工作周期長?，F(xiàn)在很多模器件公司都有把這種低頻段的有源濾波器做成集成電路，這樣就大大的減少了濾波器的設(shè)計周期，且提高精度，參數(shù)改變也相對比較靈活。因開關(guān)電容有源濾波器的靈活性好，所以現(xiàn)在它的應(yīng)用較為廣泛。做得比較出色的有凌力爾特的LTC1068和美信的MAX260系列芯片，本文就選用基于MAX262設(shè)計的濾波器作簡要的理論分析。

本文就以二階低通濾波器(LPF)為例闡述其工作原理，圖1為二階壓控型LPF原理圖，其中二階壓控型LPF的傳遞函數(shù)為:

圖1 二階壓控型LPF原理圖

對于節(jié)點N，可以列出下列方程

上式表明，該濾波器的Avp只有比3小，其傳輸系統(tǒng)的極點才全部在左半平面，系統(tǒng)才不自激能穩(wěn)定工作。將電阻電容電感轉(zhuǎn)換到S域，繼而根據(jù)運放的虛短虛斷得到一個方程組，聯(lián)立增益的定義，化簡電路可得:

分析電路表達式之后可以發(fā)現(xiàn)在頻率值f取到fo時，上式也就等價為:

有源低通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q:值拐角增益與通帶增益的比值:

從上式子可知，在f=f0處的電壓增益的模將大于通帶增益(Avp)，在f=f0處增益比值將變大，根據(jù)文獻［4］。當(dāng)Avp≥3時，Q=∞，對應(yīng)到圖上就是產(chǎn)生了一個極點，而且頻率在右平面，所以有源濾波器將會自激。將C1直接跨接到輸入與輸出之間，等同于在高頻端(低頻時阻抗太大)給濾波電路加了正反饋，因此在高頻端的增益數(shù)值(Au)將會有所抬

聯(lián)立求解以上3式，可得LPF的傳遞函數(shù):高，這樣的話就有可能會引起自激。

由以上分析可知Q的大小對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性是非常重要的，根據(jù)二階壓控型低通濾波電路的幅頻特性曲線可以了解:濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q，也即低通濾波器的截至特性系數(shù)，其值取決于f=f0附近的頻率特性。按照f0附近的特性來看的話，可以把濾波器分為巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾3種類型，其Q值分別為0.707、1、0.56。眾所周知巴特沃斯型濾波器是平坦度最好的，其在f0處無峰值單調(diào)減，切比雪夫型在f0處有點過沖，但是截至特性好，貝塞爾型濾波器雖然帶寬有所降低，但是過渡特性好，相頻無峰值。

本系統(tǒng)要求設(shè)計一個能對10 Hz～60 kHz的聲波信號進行程控濾波的裝置，低通部分的要求是: 1 kHz，3 kHz，30 kHz，60 kHz 4檔，根據(jù)MAX262的DATASHEET可以得到低通的傳遞函數(shù)為:

Hopl為直流信號處的低通輸出增益。程控濾波芯片MAX262的核心為采樣系統(tǒng)fclk為其采樣頻率，根據(jù)二分頻可知外部時鐘為2 fclk，f0的取值為1 kHz，3 kHz，30 kHz，60 kHz，Q取參考值為1，然后根據(jù)文獻［5］中的參考芯片手冊的參考表格、表達式計算或者利用MAX26X系列專用軟件進行數(shù)據(jù)軟校正，為了防止采樣后的信號頻譜混疊，采樣比按照奎特斯原理設(shè)為fclk≥2f0，但是為了更加使系統(tǒng)達到接近連續(xù)時間濾波的效果這里采用ratio范圍為31至109，ratio越大則越接近理想連續(xù)時間濾波狀態(tài)。MAX262濾波的輸出有其不完善的地方，比如，時鐘干擾，內(nèi)部噪聲等。在低通濾波電路的輸出中會含有開關(guān)信號夾雜在輸出信號中，呈現(xiàn)階梯鋸齒狀，為了消除這類噪聲特在MAX262的輸出端加入一級單級點的低通濾波器，由于信號范圍寬度為60 kHz左右，所以當(dāng)采用ratio=50時，最小的采樣率為1 kHz×50= 50 kHz，但是信號頻率覆蓋了50 kHz達到了60 kHz這就使得這個低通濾波器無法滿足系統(tǒng)要求，在這里本文采用兩組模擬低通濾波器用模擬開關(guān)控制分段切換濾波，保證了高精度和穩(wěn)定性，在窄帶內(nèi)實現(xiàn)濾波精度是首要考察的因素。

2 數(shù)字控制濾波器軟硬件設(shè)計

由于系統(tǒng)的輸入信號是前級AGC模塊處理后的含有噪聲干擾的信號，因此為保證系統(tǒng)穩(wěn)定以及減少級間干擾，該系統(tǒng)首先是對信號進行預(yù)處理，即用5532運放隔離前后級，減少級間干擾，然后采用后級的濾波電路濾除高頻干擾和時鐘噪聲，而且將當(dāng)前的設(shè)定值有12864液晶實時顯示出來，由此我們可以知道，該系統(tǒng)總共由2部分模塊組成，也就是程控濾波模塊部分和跟隨隔離、鍵盤以及顯示模塊的部分。整個系統(tǒng)以STM32F103單片機為控制器，將這3部分連接起來構(gòu)成一個簡潔的程控濾波信號處理電路，系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

2.1 放大/緩沖電路設(shè)計

在很多信號采集系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般采取前后級模塊緩沖隔離的連接方式，一般的緩沖方式選擇電壓跟隨電路，而電壓跟隨電路中運放的選擇決定了其緩沖隔離的效果，一般的跟隨運放選擇的標(biāo)準(zhǔn)是優(yōu)異的噪聲性能，寬帶寬，優(yōu)秀的驅(qū)動能力，寬電源電壓，低失調(diào)電壓等。根據(jù)以上要求選擇了運放NE5532作為緩沖，NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器。與很多標(biāo)準(zhǔn)運放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當(dāng)高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。此系統(tǒng)研究的是10 Hz～60 Hz的聲波信號，以NE5532芯片32.81 ft的單位增益帶寬積完全滿足系統(tǒng)的要求，其具體電路如圖3所示。

圖3 增益/緩沖模塊

2.2 濾波電路設(shè)計

程控濾波器以MAX262為核心，而MAX262則是雙二階開關(guān)電容有源濾波器，它由微處理器精確控制濾波函數(shù)即可構(gòu)成低通、高通、帶通等濾波器，且不需外部器件。MAX262含有兩個二階濾波器，可在控制下設(shè)置中心頻率f0，品質(zhì)因數(shù)Q和濾波器工作方式。輸入時鐘f0與6 bit編程輸入代碼一起可決定濾波器的中心或截至頻率，Q值則可獨立編程。濾波器的截止頻率的調(diào)節(jié)可通過改變MAX262的時鐘信號頻率fclk與MAX262的頻率控制字N來實現(xiàn)，設(shè)N為固定值，那么便可通過改變時鐘信號頻率fclk來控制濾波器的截至頻率。本系統(tǒng)中采用MAX262時鐘頻率給定的工作方式，需要改變的只是濾波器的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q值。根據(jù)芯片手冊提供的外圍電路，設(shè)計的MAX262濾波電路見圖4所示［6］。

圖4 基于MAX262的濾波電路

2.3 軟件電路設(shè)計

根據(jù)濾波系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)的功能有:(1)選擇MAX262的高通模式，并通過理論計算或者通過MAXIM專用軟件設(shè)置相應(yīng)參數(shù)如f0、Q值等并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的N二進制代碼;(2)選擇程控濾波器的低通/帶通模式，并如同(1)設(shè)置相應(yīng)參數(shù);(3)具有非常好的人機交互功能，并且顯示當(dāng)前系統(tǒng)工作的情況;設(shè)計采用模塊化編程的基本思想，模塊的內(nèi)部采用層次化結(jié)構(gòu)，將硬件接口程序以及各個功能模塊的初始化程序作為最底層的子驅(qū)動程序來完成最基本的工作，整體實現(xiàn)方法是:控制硬件接口的中斷矢量，并向上層提供接口以供上級程序讀取數(shù)據(jù)，中間層程序完成底層數(shù)據(jù)的收集和處理并且將其處理結(jié)果最終上傳至的上層功能控制程序;最后主程序作為“調(diào)度員”通過調(diào)用各個不同的中間層子程序來實現(xiàn)各種各樣的組合功能。應(yīng)用軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示［7-8］。

圖5 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計框圖

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 技術(shù)指標(biāo)

本文要求設(shè)計一個能對10 Hz～60 kHz的聲波信號進行程控濾波的裝置，要求如下:(1)采用二階開關(guān)電容巴特沃斯濾波器，實現(xiàn)程控帶通濾波功能。(2)高通頻率分四檔:1 kHz，3 kHz，30 kHz，60 kHz。(3)低通頻率分三檔:10 Hz，500 Hz，2 kHz。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測試主要包括兩個部分:整機靜態(tài)工作點以及MAX262濾波模塊，具體測試數(shù)據(jù)類型包括有靜態(tài)工作點電壓值、信號頻率值、幅度值等。使用的測試儀器有:Tektronix TDS1012數(shù)字示波器、勝利VC890數(shù)字萬用表、SU3080函數(shù)發(fā)生器以及南京新聯(lián)EE1251數(shù)字化掃頻儀。

3.2 測量結(jié)果及分析

第1部分測試時靜態(tài)工作點的測試，靜態(tài)工作點是整個系統(tǒng)能正常運轉(zhuǎn)的基本條件，并且靜態(tài)工作點的穩(wěn)定與否直接影響著系統(tǒng)的性能。測試方法:采用勝利VC890數(shù)字萬用表主要對隔離緩沖模塊的靜態(tài)工作點以及MAX262芯片的電源引腳電壓進行測量，測試結(jié)果如表1所示。

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)的靜態(tài)工作點電壓值與理論值基本吻合，系統(tǒng)靜態(tài)工作狀態(tài)下穩(wěn)定，基本滿足系統(tǒng)要求。如需進一步提高系統(tǒng)精度，可在隔離緩沖模塊中加入調(diào)零電路。

表1 靜態(tài)工作點單位:V

第2部分測試是MAX262芯片的測試，本系統(tǒng)的核心部分就是MAX262芯片，其性能主要影響著該系統(tǒng)的精度。測試方法如下:采用SU3080函數(shù)發(fā)生器發(fā)出雙路信號，一路為待測信號，另一路為同電壓幅值的噪聲信號;將兩路信號通過外部加法器相加，具體電路如圖6所示，然后送入MAX262芯片的輸入端，通過HD7279按鍵選擇濾波器類型以及具體參數(shù):如Q值，截至/中心頻率，通頻帶等參數(shù);然后使用Tektronix TDS1012數(shù)字示波器或者南京新聯(lián)EE1251數(shù)字化掃頻儀對MAX262的輸出信號進行測量并記錄測試數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

圖6 加法電路

表2 MAX262 LPF測試數(shù)據(jù)單位:Hz/VPP

表3 M AX262 HPF測試數(shù)據(jù)單位:Hz/VPP

圖6所示的電路為外部加法電路。實現(xiàn)了將輸入兩路信號進行相加混合，然后送入后級濾波電路。為保證信號是幅值無失真?zhèn)鬏?由于輸入信號為交流信號，且此處僅測量其頻率與電壓幅值)，所以加法電路取兩路增益均為單位增益，所以根據(jù)公式:

當(dāng)Rf=R2=R1時，輸出信號無電壓幅度失真。

從表2和表3中的實驗數(shù)據(jù)分析可知該濾波器系統(tǒng)性能接近理想連續(xù)時間濾波器的性能。在多次測量的過程中有極個別的數(shù)據(jù)誤差較大，其他情況下均能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的針對10 Hz～60 kHz的聲波信號的程控濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號進行前置處理，能實現(xiàn)輸入信號的緩沖，高通、低通和帶通濾波功能。當(dāng)輸入信號幅度變化時，通過前級的跟隨隔離模塊實現(xiàn)對后級濾波電路的穩(wěn)定驅(qū)動以及與后級濾波電路的隔離，最終使輸入信號幅度基本保持穩(wěn)定;而對于輸入信號頻率的改變，借助單片集成可編程濾波器芯片的同時輔以簡單的外圍器件，采用編程數(shù)據(jù)來完成RC網(wǎng)絡(luò)的切換，通過單片機編程對各種低頻信號實現(xiàn)低通，高通(帶通，帶阻以及全通)濾波處理，而且濾波的特性參數(shù)如中心頻率，品質(zhì)因數(shù)等也可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合適當(dāng)進行設(shè)置。因此本文設(shè)計的濾波器可以很好的應(yīng)用于信號頻率及幅度在寬范圍內(nèi)變化的場所，操作方便并且性能優(yōu)良。

［1］高吉祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程:電子儀器儀表設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:93-98.

［2］柴超.基于DSP的數(shù)字濾波器及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2005.

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粟向軍(1964-)，男，漢族，湖南邵陽人，碩士，教授，湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，410006，主要從事通信仿真技術(shù)研究;

榮軍(1978-)，男，漢族，湖南岳陽人，碩士，講師，湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，410006，主要從事學(xué)生開關(guān)電源、電機控制以及學(xué)生考賽指導(dǎo)工作;rj1219@163.com。

Design and Implementation of a Simple and Program-Controlled Acoustic W ave Filter*

SU Xiangjun*，RONG Jun，CHEN Song，ZHANG Xiaolong

(Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang 414006，China)

The programmable filtering system is designed to accurately control acoustic signal based on a 10 Hz to 60 kHz，and the system uses STM32F103 single chip microcomputer as the control core，and uses precise operational amplifier NE5532 constitute a voltage follower buffer which improves the accuracy of filtering system.The programmable filter is designed with CMOS dual two-order general switched capacitor active filter MAX262，and can use microprocessor STM32F103 to precisely control the transfer function of the filter.Itmay form all kinds of filters for example band-pass，low-pass and high pass filterswithout the need for external components.The performance index of the system is relatively high，reliable，human computer interaction，and the user interface is very friendly.

programmable filter;digital control;power amplifier

C:1270

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.012

TM 46

:A

:1005－9490(2017)01－0061－05

項目來源:湖南省科技計劃項目(2014GK2006)

2016-01-27修改日期:2016-02-26