1、程控滤波器张翼 李军 戴焕昌指导老师 黄智伟2009年6月1目录1. 系统方案 .11.1 系统总体构成 .11.2 控制器部分 .11.3 可控增益放大器部分 .21.4 程控滤波器部分 .31.5 幅频特性分析仪部分 .41.6 人机交互界面 .52 理论分析与计算 .52.1 低通滤波器参数选取 .52.2 高通滤波器参数选取 .52.3 椭圆滤波器参数选取 .63 系统电路设计 .63.1 程控放大器电路设计 .63.2 低通滤波器电路设计 .73.3 高通滤波器电路设计 .83.4 椭圆滤波器电路设计 .83.5 简易幅频特性测试仪设计 .94 系统软件设计 .95 测试方法与测试结
2、果 .115.1 程控放大器电路测试 .115.2 低通滤波器电路测试 .115.3 高通滤波器电路测试 .125.4 带通滤波器电路测试 .125.5 简易幅频特性测试仪测试 .126 结论 .12参考文献 .13附录1 主要元器件清单 .14附录2 电路原理图及印制板图 .15附录3 程序清单 .20附录4 触摸屏界面 .29附录5 我们组完成的模块 .321程控滤波器摘要：本系统由可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪四部分组成。可控增益放大器部分以可变增益放大器AD603作为核心器件，实现了输出增益的动态调整；程控滤波器和椭圆滤波器采用集成开关电容滤波器芯片LTC106
3、8构成，通过改变时钟来实现滤波器截止频率、带宽可调；以TI Luminary ARM LM3S8962作为控制核心，辅以DDS 扫频和有效值测量电路，并用触摸屏实现幅频特性的显示和控制。系统性能指标达到了设计要求，工作可靠，用户界面友好。关键词：滤波器，Luminary ARM LM3S8962，触摸屏Abstract: This system includes four parts: Programmed Amplifier, Programmed Filter and Elliptic Low-Pass Filter, Ellipit Low-Pass Filter and Instrum
4、ent for Amplitude-Frequency Charcteristic. The PGA part use IC AD603 to make the plus controllable. The Programmed Filter and Elliptic Low-Pass Filter are based on Switched Capacitor Filter IC LTC1068. With the help of alterable clock, we make the bandwidth of the filters controllable. The system us
5、es TI Luminary ARM LM3S8962 as the main controller. With the DDS and other circuits, we realize a simple Instrument for Amplitude-Frequency Characteristic as touch screen. The system performance indicators to meet the design requirements, runs stability and has friendly interface.Keywords: Filter, L
6、uminary ARM LM3S8962, Touch screen1. 系统方案1.1 系统总体构成本系统设计包括五大部分：LM3S8962控制器、可变增益放大器、程控滤波器、幅频特性测试和触摸屏等系统构成，总体结构方框图如图1.1.1所示，下面对各部分进行方案论证。信号调理信号程控放大 功率放大低通滤波器高通滤波器带通滤波器真有效值检测ADCLM3S8962触摸屏DDS图1.1.1 系统总体结构方框图1.2 控制器部分2方案一：采用MCS-51系列单片机，它包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和
7、控制总线等三大总线。MCS-51系列单片机一般的运行频率在20MHz 以下。单片机功能强大，对顺序执行的功能函数很容易处理，人机界面设计较容易实现。但是单片机处理速度较慢，不能产生很高的外部时钟频率，很难满足产生任意频率的信号来控制低通滤波器或者高通滤波器的时钟端实现截止频率在120kHz 内范围内可调的要求。方案二：采用TI Luminary Stellaris（群星）LM3S 系列 32位ARM微控制器，其核心包含运行在50MHz频率下的ARM Cortex-M3 MCU内核、嵌入式Flash和SRAM、集成的掉电复位和上电复位功能、模拟比较器、10位ADC、 SSI、GPIO、看门狗和通
8、用定时器等。LM3S8962 微控制器还具有一个电池备用的休眠模块，从而有效的使LM3S8962芯片在未被激活的时候进入低功耗状态。一个上电/掉电序列发生器、连续的时间计数器（ RTC）、一对匹配寄存器、一个到系统总线的APB 接口以及专用的非易失性存储器、休眠模块等功能组件使LM3S8962 微控制器极其适合用在低功耗的应用中。LM3S8962 微控制器使用了兼容ARM 的Thumb 指令集的Thumb-2指令集来减少存储容量的需求，并以此达到降低成本的目的。LM3S8962微控制器与 Stellaris系列的所有成员是代码兼容的，这为用户提供了灵活性，能够适应各种精确的需求。LM3S896
9、2微控制器的最小系统电路原理图如图1.2.1所示。 ADC01V3GN456LO789PRxTUXHYWMhBSIlkFsKE+o-aut.npz图1.2.1 LM3S8962微控制器的最小系统电路原理图本系统要求控制器运行速度较快，使用的I/O也较多，真有效值检测还需要ADC，综合考虑，本系统采用方案二，使用Luminary ARM LM3S8962作为控制器。1.3 可控增益放大器部分3方案一：使用数字电位器和普通运放组成放大电路。通过控制数字电位器来改变放大器的反馈电阻实现可变增益这种方案硬件实现较简单，但限于数字电位器的精度较低、档位有限，这种方案很难实现增益的精确控制，同时数字电位器
10、受信号的带宽限制，在运放环路中会影响整个系统的通频带宽。方案二：采用仪用放大器实现。单片仪用放大器（如AD620）增益可以在11000倍之间可调。通过改变仪用放大器的反馈电阻，从而改变放大器的增益。但是其单位增益带宽只有12MHz，不能满足系统放大器要求的放大器通频带特性。方案三：采用D/A衰减器实现。利用可编程放大器思想，现将输入的信号放大1000倍，再将其作为D/A的基准电压，这时D/A作为一个程控衰减器。但是由于控制的数字量与所需的增益（dB）不成线性关系而是指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。方案四：采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA。可控增益放大器（如AD603
11、）内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口参考电压决定；而这个参考电压可通过控制器进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得到，从而实现较精确的数控。综上所述，本设计采用方案四，AD603是一款低噪声，精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB，其增益(dB)与控制电压（V）呈线性关系，可以采用DAC来控制放大器的增益。AD603内部原理图如图1.3.1所示。并且用DAC可以产生一个精确的电压控制增益，便于LM3S8962控制，同时可以降低干扰和噪声。图1.3.1 AD603内部原理图
12、1.4 程控滤波器部分方案一：以集成运放为核心的有源RC滤波电路，结构简单，所需元件较少，成本低，且电路输入阻抗高、输出阻抗低，并有专门的设计仿真软件，可以在阻带实现很大的衰减。但这种滤波器的阻容参数固定以后中心频率就不可以再调节，无法实现程控。方案二：采用实时DSP或FPGA数字滤波技术。数字信号处理灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效滤波，但不适合高增益弱信号检4测。要进行高效率的滤波，需要 A/D、D/A具有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度。方案三：采用无源LC滤波器。利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器。参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易的设计出理想
13、的滤波器。但是如果要是截止频率可调，只有改变电感和电容的参数，这样设计，硬件将会非常复杂。方案四：采用开关电容滤波器。与数字滤波相比，省去了量化过程，因而具有处理速度快、整体结构简单等优点。开关电容滤波器的滤波特性取决于电容比和时钟频率，只要精确控制时钟频率，便可以精确调节滤波器的中心频率。根据四种方案的特点，选用开关电容滤波器LTC1068作为数控滤波器的核心。采用集成的开关电容滤波器芯片。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS 电容和MOS 运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。其特点是：(1)当时钟频率一定时，开关电容滤波器的特性仅取决于电容的比值。由于采用了特种工艺，这种电容的比值精
14、度可达0.01，并且具有良好的温度稳定性。(2)当电路结构确定之后，开关电容滤波器的特性仅与时钟频率有关，改变时钟频率即可改变其滤波器特性。(3)开关电容滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要AD、DA变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。集成开关电容滤波器通常内置多种滤波器模块，通过外接少量电阻可以将各种模块配置为高通，低通，带通，带阻等常见形式，由于其滤波器的截止频率由外部时钟决定，只要有一个稳定的外部时钟，滤波器的截止频率是可以保证精度的，同时，为了校准元件误差，可以通过时钟频率的微调，改变滤波器的截止频率。1.5 幅频特性分析仪部分方案一：在被测网络输入端加入扫频信号
15、，在被测网络输出端利用高速ADC对电压采样，控制器计算一个采样周期内数据的均方根值，即可得到电压有效值 。此方案高频采样困难，而且计算量大，增加了软件难度。=1=12方案二：采用DDS产生扫频信号，利用真有效值测量芯片 AD637和A D 接口电路实现扫频信号频率的步进调整及被测网络幅频特性的数显。DDS产生信号的频率稳定度较高，而且信号频率的步进和信号幅度控制方便。综上所述，本设计采用方案二，采用真有效值测量芯片AD637实现测幅频特性测量。AD637可测量的信号有效值可高达7V, 也是AD公司RMS-DC产品中精度最高、带宽最宽的，对于1VRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对
16、输入信号的电平以dB形式指示，另外，AD636还具有电源自动关断功能，使得静态电流众3mA降至45A，功耗低、稳定可靠。 AD637内部原理图如图1.5.1所示。5图1.5.1 AD637内部原理图1.6 人机交互界面方案一：传统普通液晶和矩阵键盘。控制简单，技术成熟，但液晶分辨率很低12864，只有两种颜色，而且功耗很大。键盘扫描比较复杂，扩展性不强并且占用资源较多。方案二：触摸屏。北京迪文公司生产的M600触摸屏模块的主要特点包括：简单的串行接口，最小系统与用户的连线只需要4 根线（VCCGNDRXDTXD）；统一的指令集和硬件接口的兼容设计非常容易；支持触摸屏校准和触摸按键识别，更加简化
17、触摸屏人机交互软件设计；最大96MB 图片存储空间，海量的用户界面，极大简化了用户界面开发，提高了开发效能；低功耗：3.3V 115mA，高可靠性，-40-85工作温度范围，金属屏蔽罩封装，体积小巧：6037.55 mm（不含插针）。综上所述，本设计采用北京迪文公司生产的M600触摸屏模块，其界面简单漂亮且占用资源少。触摸屏界面见附录四。2 理论分析与计算2.1 低通滤波器参数选取题目中要求2f c处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。因放大器的增益为40dB ，所以滤波器在2f c处的衰减A要不小于10dB 。但为了保证设计指标的可靠性，本系统将此衰减A定为20dB。滤波器的归一化频率
18、 =W/Wc=2fc/fc=2，可以计算出滤波器的最小阶数为： 32.log20ln因此本设计的滤波器阶数定为四阶。通过查找巴特沃兹滤波器参数表，可以得到四阶低通函数归一化近似函数为： )18476.)(17653.() 22 sssH2.2 高通滤波器参数选取6根据频率变换原理，高通滤波器可以转化为低通滤波器的设计。根据低通与高通的S域变换关系，相应的低通滤波器的参数为：设衰减A=20dB，归一化频率=W/W c=2fc/fc=2。此时低通滤波器的最小阶数为： 32.log0l2An因此对应的高通滤波器的阶数定为四阶。四阶巴特沃兹低通滤波器的传输函数为： )18476.)(17653.()2
19、2 sssH设 ，根据低通与高通的S).)(.0()1( 22sTLP域变换关系：T HP(s)=TLP(s)|s=wp/s，可得四阶巴特沃兹高通滤波器的传输函数为： 6280)6280(1)sssH2.3 椭圆滤波器参数选取根据题目对椭圆滤波器的要求，阶数n=4，通带 p=50kHz，阻带 s=200kHz，带内起伏 AmaxldB，带外衰减A min 55dB，为了保证达到设计指标，本系统按照带内起伏A max0.5dB，阻带带宽 s=150kHz进行设计，可以求得阻带和通带的边界之比 ，通过查找椭圆滤波器参数表，可以查 s=15050=3得四阶椭圆函数在s=3时可以达到64.ldB的衰减
20、，其归一化近似函数为：()=(2+0.32979+1.063281)(2+0.86258+0.37787)0.00062046(2+10.4554)(2+58.471)3 系统电路设计3.1 程控放大器电路设计本设计将此部分电路分为两级：增益控制部分和电压放大部分。增益控制部分采用AD603通频带最宽的一种接法。电路图如图3.1.1所示，设计通频带为90MHz，增益为-10dB+30dB，输入控制电压为 -0.5V+0.5V。增益和控制电压的关系为：A =40U+10。一级的增益只有40dB，使用两级串联，增益为A v=40U1+40U2+20增益范围是：-20dB+60dB，满足题目要求。7
21、234568U1OPAD0KRpFC9+V-GNuI.图3.1.1 可控增益放大器电路考虑到AD603的输出有效值小于2V，本设计在增益控制部分后，选用两级三极管进行直流耦合和发射级直流负反馈来构建末级电压放大，同时提高放大电路的带负载能力。选用2N3904和2N3906三极管，可达到25MHz的带宽。功率放大级电路如图3.1.2。 QT图3.1.2 可控增益放大器功率放大级电路3.2 低通滤波器电路设计LTC1068是LINEAR 公司的一款开关电容滤波器芯片，其中包含四个通用二阶模块，每个模块都可以配置成高通、低通、带通、带阻等常见形式，滤波器的外部元件参数一旦确定，便可以使用时钟来调节截
22、止频率。LTC1068共有模式1、模式1b、模式2、模式3共四种工作模式，对应不同的滤波特性。经过计算，低通滤波器电路设计采用LTC1068的两级滤波器模块组成四阶巴特沃兹低通滤波器，第一级滤波器的Q=1.3066 ，第二级滤波器的 Q=0.5412，f=20kHz 。两级滤波器模块都工作在模式1下的低通模式，根据芯片手册提供的元件参数计算公式计算出外围电阻值，最终电路如图3.2.1。8INV B1HP/23L4S5C6AGD7+90K-UTR.O图3.2.1 低通滤波器电路3.3 高通滤波器电路设计高通滤波器电路设计采用LTC1068的两级滤波器模块组成四阶巴特沃兹高通滤波器，经过计算，第一
23、级滤波器的Q=0.5412 ，第二级滤波器的Q=1.3066，f 0=20kHz，两级滤波器模块都工作在模式3下的高通模式，根据滤波器的参数可以计算出每级滤波器对应的外围电阻值，最终设计电路图如图3.3.1。图3.3.1 高通滤波器电路3.4 椭圆滤波器电路设计带通滤波器电路设计采用LTC1068滤波器模块，经过计算，第一级滤波器的参数：Q=3.1267，f 0=51.5578kHz，f 0=161.6740kHz；第二级滤波器的参数Q=0.7126，f 0=30.7356kHz，f n=382.3317 kHz，第一级滤波器模块工作在模式2下的低通模式，第二级滤波器模块工作在模式1b下的低通模式，最终设计电路图如图3.4.1。
