程 輝，王 勤

(成都大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

濾波器是很多電子電路中必不可少的組成部分，其作用是允許特定頻段信號通過且將其余頻段信號加以抑制或使其急劇衰減，廣泛應(yīng)用于信息處理、數(shù)據(jù)傳輸及抑制干擾等方面[1-2].由于傳統(tǒng)濾波器在設(shè)計(jì)完成后的中心頻率及電壓增益等參數(shù)不能改變，傳統(tǒng)濾波器只能處理一定頻率范圍內(nèi)的信號，若處理此頻率范圍外的信號，則需要額外增加濾波電路，這將使電路變得復(fù)雜，且增加了電路的不確定性和成本.又因?yàn)閭鹘y(tǒng)濾波器電壓增益較低不可調(diào)，對弱信號響應(yīng)較差，所以使用范圍受到較大的限制.近年來，研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了各種功能的濾波器[3-6]，但多數(shù)濾波器存在精度不高、通用性差、功能較少且性價(jià)比低等問題.對此，本研究根據(jù)開關(guān)電容技術(shù)設(shè)計(jì)了一種多功能濾波器.該種濾波器由STM32整體控制，具有較高的電壓增益且增益步進(jìn)可調(diào)，并可設(shè)置低通、高通、帶通及陷波等多種濾波功能，且截止頻率、中心頻率及陷波頻率等均步進(jìn)可調(diào)，滿足了較寬頻率信號范圍內(nèi)對弱信號的多種濾波需求.本研究設(shè)計(jì)的多功能濾波器系統(tǒng)整體誤差較小，可應(yīng)用于多種濾波電路中.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本濾波器系統(tǒng)主要由鍵盤顯示模塊、控制模塊、放大模塊與濾波模塊等組成，如圖1所示.鍵盤顯示模塊為人機(jī)交互部分.根據(jù)需求，設(shè)置放大模塊對各輸入信號的電壓增益與濾波模塊中各濾波參數(shù).在控制模塊作用下，放大模塊產(chǎn)生對應(yīng)增益，濾波模塊則產(chǎn)生相應(yīng)的濾波功能.輸入信號經(jīng)放大模塊放大后得到所需幅度的信號，再經(jīng)濾波模塊處理后獲得最終輸出信號.系統(tǒng)整個工作過程中，均可隨時(shí)根據(jù)需求調(diào)整放大增益、濾波器類型及參數(shù).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

本研究使用STM32F103VE作為控制模塊的核心來控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行.STM32F103VE是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的32-bit高性能微控制器，采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz，可完成單周期乘法和硬件除法，具有較快的運(yùn)算速度、較強(qiáng)的處理能力及較低的功耗，廣泛滿足工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)類市場的各種應(yīng)用需求[7-9].

2.2 放大模塊

放大模塊由放大器AD8429和數(shù)字電位器AD5272組成.AD8429是ADI公司生產(chǎn)的高速儀表放大器，其最高帶寬可達(dá)15 MHz，只需一個外部電阻便可將增益設(shè)置為1～10 000，具有低功耗、極低噪聲、超低偏置電流及寬電源電壓的特性，廣泛適用于信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場合[10].AD5272是ADI公司生產(chǎn)的單通道數(shù)字電位器，具有低電阻容差誤差及低溫度系數(shù)特性，可應(yīng)用于運(yùn)算放大器可變增益控制、可編程電源及傳感器校準(zhǔn)等領(lǐng)域[11].

本研究中，放大模塊由3級結(jié)構(gòu)與功能均相同的放大電路組成.每級放大電路包括1片AD8429和1片AD5272，可實(shí)現(xiàn)0～20 dB電壓增益.整體可實(shí)現(xiàn)0～60 dB增益，以1 dB為步進(jìn)調(diào)節(jié).放大模塊電路如圖2所示.

圖2 放大模塊電路圖

對于每級放大電路，AD8429均采用+15 V單電源供電，1腳負(fù)極輸入端V-IN和6腳參考電壓輸入端VREF采取接地處理.輸入與輸出之間的關(guān)系如式(1)所示.

VOUT=G×V+IN

(1)

式(1)中，G為電壓增益.同時(shí)，為減少高頻干擾及有效濾除高頻干擾信號，AD8429輸入端增加低通R-C濾波網(wǎng)絡(luò).圖2第1級放大電路中，R1、R2、C2、C3與C4即為R-C濾波網(wǎng)絡(luò).

AD8429的2腳和3腳之間需接1個電阻作為增益調(diào)節(jié)電阻，改變其電阻值RG便可改變電壓增益.增益值G與增益調(diào)節(jié)電阻值RG的關(guān)系如式(2)所示.

G=20lg((6/RG)+1)

(2)

式中，RG的單位為kΩ.當(dāng)所接增益調(diào)節(jié)電阻引腳斷開時(shí)，增益值G=0，即信號無放大.

為減小增益誤差與增益漂移，增益調(diào)節(jié)電阻需選用高精度且低溫度系數(shù)的電阻，同時(shí)需避免產(chǎn)生與增益調(diào)節(jié)電阻串聯(lián)的高寄生電阻.AD5272輸出電阻容差誤差最低為±1%，在可變電阻器模式下溫度系數(shù)達(dá)到5 ppm/℃，滿足對增益調(diào)節(jié)電阻的要求.

AD5272游標(biāo)W端和A端之間的電阻為標(biāo)稱電阻，其電阻值RWA可設(shè)置為20 kΩ、50 kΩ和100 kΩ，并具有1 024個可供W端訪問的觸點(diǎn)，設(shè)置內(nèi)部RDAC寄存器中的數(shù)值為1 024個游標(biāo)位置，從而輸出1 024個電阻.當(dāng)將RWA設(shè)置為50 kΩ時(shí)，帶寬可達(dá)120 kHz，此時(shí)AD5272的W端和A端之間數(shù)字編程輸出電阻如式(3)所示.

RWA(D)=(D/1024)×50

(3)

式中，D為RDAC寄存器中數(shù)值，其范圍為0～1 023之間的整數(shù)，確定D值便可得到AD5272輸出電阻RWA(D)，即AD8429實(shí)際增益調(diào)節(jié)電阻值.由式(3)可知，輸出電阻RWA(D)最小值為48.8 Ω.當(dāng)改變RDAC寄存器的數(shù)值，輸出電阻RWA(D)將從最小48.8 Ω改變，因此，AD5272實(shí)際輸出值與式(2)得到的理論RG值存在一定偏差，故實(shí)際增益值存在一定誤差.由式(2)、式(3)可得到理論增益值與AD5272實(shí)際輸出值的關(guān)系如表1所示.

表1 理論增益值與AD5272輸出電阻關(guān)系表

系統(tǒng)工作時(shí)，鍵盤顯示模塊先設(shè)定增益值.控制模塊STM32F103VE根據(jù)設(shè)定的增益值，控制每級AD5272輸出相應(yīng)電阻值.輸入信號由第1級放大電路AD8429的4腳輸入，經(jīng)第2、3級放大電路放大后，從第3級放大電路AD8429的7腳輸出.

2.3 濾波模塊

濾波模塊由有源濾波器MAX262和模擬開關(guān)ADG704、ADG849構(gòu)成，用于將前級放大電路輸出信號經(jīng)濾波后輸出.MAX262是雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，其內(nèi)部含有2個相同的二階濾波單元.每個濾波單元通過編程來設(shè)置中心頻率或截止頻率、品質(zhì)因數(shù)和工作方式，可構(gòu)成低通、高通、帶通及陷波等多種濾波器，其中，2個濾波單元可單獨(dú)作為2個二階濾波器使用，也可將其級聯(lián)成1個四階濾波器使用[12-14].ADG704是單通道4選1模擬開關(guān)，其導(dǎo)通電阻僅為2.5 Ω，具有低功耗、高開關(guān)速度及低導(dǎo)通電阻的特性.ADG849為單通道2選1模擬開關(guān)，其導(dǎo)通電阻僅為0.5 Ω，可承載高達(dá)600 mA電流，具有超低導(dǎo)通電阻、極低開關(guān)失真及高載流能力的特性.

有源濾波器MAX262中，2個二階濾波單元均有4種工作方式，且對應(yīng)5種不同濾波功能，使用時(shí)要用到中心頻率或截止頻率f0、外部時(shí)鐘頻率fclk、Q值和工作方式等4個參數(shù).對于方式1、3和4，f0和fclk的關(guān)系如式(4)所示.

fclk/f0=40.84+1.57NF

(4)

式中，NF為頻率控制字，由MAX262內(nèi)部程序存儲單元中F5～F0此6位二進(jìn)制碼組成，共可構(gòu)成0～63之間的64個十進(jìn)制整數(shù)，故f0可通過固定NF并調(diào)節(jié)fclk靈活變化.根據(jù)需求確定f0后，由式(4)即可得到fclk值.

在方式1、3和4下，濾波器的Q值由式(5)求得.

Q=64/(128-NQ)

(5)

式中，NQ為品質(zhì)因數(shù)控制字，由MAX262內(nèi)部程序存儲單元中Q6～Q0此7位二進(jìn)制碼確定，可實(shí)現(xiàn)128種品質(zhì)因數(shù).根據(jù)需求確定Q值后，由式(5)得到NQ值.

當(dāng)工作方式、NF、fclk、NQ確定后，STM32F103VE便可將相應(yīng)參數(shù)輸入到MAX262，從而產(chǎn)生對應(yīng)功能的濾波器.

濾波模塊電路如圖3所示.數(shù)據(jù)在STM32F103VE控制下經(jīng)74HC374鎖存器后輸入到MAX262，可消除邏輯輸入躍變導(dǎo)致的濾波器輸出噪聲干擾.MAX262中CLKA與CLKB為fclk時(shí)鐘輸入端，分別為濾波器A和濾波器B提供時(shí)鐘信號fclkA與fclkB，控制開關(guān)電容濾波器的采樣率.A3、A2、A1、A0為地址輸入端，通過輸入不同的地址數(shù)據(jù)來選定濾波器方式、頻率控制字NF及品質(zhì)因數(shù)控制字NQ等設(shè)置的存儲單元.D1、D0為數(shù)據(jù)輸入端，當(dāng)相應(yīng)存儲單元被選定后，在D1、D0端輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而確定濾波器工作方式、f0及Q值.由圖3可知，2片ADG704與1片ADG849用于選擇輸出濾波信號類型與濾波器階數(shù)，并在下方ADG704的D端口輸出最終濾波后的信號.

圖3 濾波模塊電路圖

系統(tǒng)工作時(shí)，鍵盤顯示模塊設(shè)定濾波器類型、階數(shù)、f0及Q值等參數(shù)，控制模塊中STM32F103VE將參數(shù)寫入MAX262內(nèi)部存儲單元，設(shè)定濾波器參數(shù)，通過控制CLKA、CLKB端輸入fclk頻率及ADG704、ADG849的通斷，在輸出端可分別得到所需低通、高通、帶通及陷波濾波后的信號.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示.系統(tǒng)初始化后，首先進(jìn)入增益設(shè)置，根據(jù)顯示提示，使用鍵盤設(shè)置輸入信號增益值.控制模塊根據(jù)該增益值控制放大模塊產(chǎn)生相應(yīng)增益.增益設(shè)置完成后，進(jìn)入濾波設(shè)置部分，依次設(shè)置濾波器類型、階數(shù)、f0及Q值等參數(shù).控制模塊根據(jù)設(shè)置控制濾波模塊生成相應(yīng)功能的濾波器.最后，通過控制模擬開關(guān)通斷輸出濾波后的信號.

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 放大模塊軟件設(shè)計(jì)

因系統(tǒng)放大增益為0～60 dB，故3級放大電路中每級放大增益范圍均為0～20 dB.放大模塊軟件流程圖如圖5所示.在鍵盤顯示模塊設(shè)置增益G值后，若0 dB

圖5 放大模塊軟件流程圖

若20 dB

若40 dB

若設(shè)置增益值G>60，則顯示增益超出范圍，此時(shí)需要重新輸入增益進(jìn)行測試.

3.2 濾波模塊軟件設(shè)計(jì)

濾波模塊要實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通及陷波等濾波功能，其軟件流程圖如圖6所示.在鍵盤顯示模塊分別設(shè)置濾波器類型、階數(shù)、f0A、QA、f0B、QB等參數(shù).若濾波器類型設(shè)置為陷波濾波器時(shí)，其階數(shù)固定為二階，則只需輸入陷波頻率fN與Q.

圖6 濾波模塊軟件流程圖

當(dāng)濾波器類型設(shè)置為低通、高通或帶通濾波器時(shí)，則在MAX262內(nèi)部具有相同的配置方式.如果設(shè)置為二階濾波，則MAX262只有濾波器A工作，需先將濾波器A設(shè)置為方式3，此時(shí)STM32F103VE先后由PB0～PB3輸出0000、PB4～PB5輸出10，便可將MAX262的濾波器A設(shè)置為方式3.完成方式的設(shè)置后，需進(jìn)一步設(shè)置fclkA、NFA、NQA等.時(shí)鐘fclkA由STM32F103VE的定時(shí)器T3產(chǎn)生，由于在方式3下fclk、f0可取最大值分別為4 MHz、100 kHz，為使f0在可調(diào)節(jié)范圍盡可能較大且最終濾波輸出誤差較小，使NFA為25，則由式(4)可知，當(dāng)fclkA為最大值4 MHz時(shí)，f0A可取到最大值50 kHz.當(dāng)NFA確定后，由設(shè)置f0A值便可得到fclkA，改變T3設(shè)定值即可實(shí)現(xiàn)f0A在1 Hz～50 kHz內(nèi)變化.設(shè)置NFA時(shí)，只需由STM32F103VE的PB0～PB5將MAX262內(nèi)部F5A～F0A單元設(shè)置為011001.設(shè)置NQA時(shí)，根據(jù)輸入QA值，由式(5)可得到NQA，由PB0～PB5腳將MAX262內(nèi)部Q6A～Q0A單元設(shè)置為NQA所對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)值.當(dāng)MAX262內(nèi)部配置完成后，STM32F103VE通過PC6～PC0控制ADG704與ADG849的通斷，即可實(shí)現(xiàn)二階輸出低通、高通或帶通濾波后的信號.此時(shí)，當(dāng)PC6～PC0分別輸出1001110、1001101、1001111時(shí)，便可得到二階低通、高通、帶通濾波后的信號.

如果設(shè)置為四階濾波，需同時(shí)配置濾波器A、B.濾波器B工作方式、fclkB、NFB、NQB與濾波器A配置方法相同，其中，工作方式配置為方式3，fclkB由STM32F103VE的定時(shí)器T8產(chǎn)生，NFB通過將F5B～F0B設(shè)置為011001來實(shí)現(xiàn)，NQB通過將相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)設(shè)置到Q6B～Q0B來實(shí)現(xiàn).配置完成后，STM32F103VE的PC6～PC0分別輸出1100110、1100101、1110111，即可得到四階低通、高通、帶通濾波后的信號.

當(dāng)設(shè)置為陷波濾波器時(shí)，由于只有二階，故只需設(shè)置濾波器A，其中工作方式需配置為方式1，此時(shí)STM32F103VE先后由PB0～PB3輸出0000、PB4～PB5輸出00，便能將濾波器A設(shè)置為方式1.參數(shù)fclk、NF、NQ配置方法與二階低通濾波器的fclkA、NFA、NQA相同，其中fN最大值為50 kHz.配置完成后，STM32F103VE通過PC6～PC0輸出1001101控制ADG704與ADG849的通斷，便得到二階陷波濾波后的信號.

4 系統(tǒng)測試

4.1 放大功能測試

為了測試放大模塊增益，在放大模塊輸入端接電壓、頻率分別為10 mV、20 kHz的正弦信號.鍵盤顯示模塊在設(shè)置增益值時(shí)為突出增益特性，在0～20 dB內(nèi)以1 dB步進(jìn)，在20～40 dB內(nèi)以3 dB步進(jìn)，在40～60 dB內(nèi)以5 dB步進(jìn)，共設(shè)置31組數(shù)據(jù).在放大模塊輸出端接數(shù)字示波器，觀察放大后的信號，最終得到設(shè)置增益、實(shí)際增益、增益誤差數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 放大功能測試數(shù)據(jù)表

從表2可知，1～6 dB內(nèi)增益誤差小于1%且無較大變化;7 dB處誤差有較大幅度增加；8～10 dB、11～20 dB內(nèi)誤差均有明顯增加；當(dāng)增益大于20 dB后，除個別增益點(diǎn)外，誤差在2.5%左右浮動，整體放大模塊誤差小于3%，輸出信號無明顯失真.產(chǎn)生上述誤差的主要原因是AD5272輸出電阻不是線性連續(xù)變化且電阻容差不同.由于AD5272為數(shù)字電位器，內(nèi)部RDAC寄存器中控制輸出電阻數(shù)值的代碼范圍為0x000～0x3FF，又因其最小輸出電阻為48.8 Ω，故改變RDAC寄存器中代碼會引起輸出電阻非連續(xù)變化，從而產(chǎn)生誤差.當(dāng)激活1%電阻容差性能之后，RDAC寄存器中只有代碼為0x078～0x3FF范圍內(nèi)輸出的電阻誤差才為1%，對應(yīng)表2中1～6 dB增益；代碼為0x055～0x077、0x032～0x054范圍內(nèi)輸出的電阻誤差分別為2%、3%，分別對應(yīng)7 dB、8～10 dB增益；其他代碼輸出的電阻誤差大于3%，對應(yīng)11～20 dB增益.

4.2 濾波功能測試

本研究在進(jìn)行濾波功能測試時(shí)輸入了不同頻率信號，以分別測試各種濾波功能.測試低通、高通或帶通濾波功能時(shí)，使用信號發(fā)生器在系統(tǒng)輸入端輸入幅度為10 mV、頻率在1～50 kHz范圍內(nèi)且以5 kHz為步進(jìn)增加的正弦信號，并在輸出端接數(shù)字示波器.使用鍵盤顯示模塊將系統(tǒng)增益設(shè)置為40 dB，濾波部分設(shè)置為四階低通、高通或帶通濾波，使f0為輸入信號頻率，Q值為1，分別計(jì)算并設(shè)置f0A、f0B、QA、QB.對于低通或高通濾波，輸出信號電壓在-3 dB處時(shí)，所對應(yīng)的輸入信號頻率即為截止頻率.對于帶通濾波，輸出信號電壓在最大值處時(shí)，所對應(yīng)的輸入信號頻率即為中心頻率.測試陷波濾波功能時(shí)，輸入信號與放大器增益不變，濾波部分設(shè)置為陷波濾波，將fN設(shè)置為輸入信號頻率，Q值為1.當(dāng)輸出電壓在最小值處時(shí)，所對應(yīng)的輸入信號頻率即為陷波頻率.各濾波輸出信號在10 kΩ負(fù)載上測試所得的數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 濾波功能測試數(shù)據(jù)表

從表3可知，在50 kHz范圍內(nèi)濾波器f0、fN實(shí)際測試數(shù)據(jù)與設(shè)置數(shù)據(jù)存在一定誤差，整體誤差小于3%.產(chǎn)生誤差的原因主要是由低fclk/f0比值和低Q值引起的.由于fclk/f0比值和Q值分別為80和1，若將fclk/f0比值和Q值以低值設(shè)置時(shí)，Q和f0之間的相互作用會導(dǎo)致濾波器產(chǎn)生誤差.此外，STM32F103VE輸出fclk有一定的偏差，也會導(dǎo)致濾波器f0、fN產(chǎn)生誤差.

5 結(jié) 語

本研究以STM32F103VE、AD8429和MAX262為核心，設(shè)計(jì)了一種多功能濾波器，可實(shí)現(xiàn)二階或四階低通、高通、帶通及陷波濾波.對輸入信號在0～60 dB范圍內(nèi)且以1 dB為步進(jìn)放大，增益誤差小于3%.在10 kΩ負(fù)載上截止頻率、中心頻率及陷波頻率步進(jìn)可調(diào)，最大可達(dá)50 kHz，頻率誤差均小于3%.本研究設(shè)計(jì)的多功能濾波器操作方便，功能較強(qiáng)，可適用于多種濾波測試場合.