1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 程控滤波器的设计 摘要 ： 简单介绍了滤波器的分类，程控滤波器的功能。对目前主流程控滤波器设计方案进行比较，从而确定比较合适的方案。 关键词：单片机 滤波器 放大 一、 引言 在现代信号处理和电子应用技术领域，滤波器作为一种必不可少的组成部分处在了一个十分重要的位置，并日益显示出其巨大的应用价值。尽管滤波技术的发展到现在只有七十多年的历史，但它的发生与发展已经历了诸多变化，作为一种信号处理的技术已相当完善，不断发挥着其重要的作用 I 1。滤波器按处理信号类型分类，可分为模 拟滤波器和数字滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类
2、三个分类；离散滤波器又可分为数字取样模拟、混合三个分类。按通频带分类不同可分为低通，高通，带通，带阻四大类。 放大器和滤波器是数据采集处理系统的重要组成部分，其性能指标的优劣直接决定整个系统的性能。传统的放大和滤波器大部分是设定固定放大倍数和截止频率，其技术已很成熟。但在许多工程应用领域，信号频率的动态范围往往很宽，其信号频率在几 Hz到几十 kHz之间不等，因此就有必要采用多种截止频率的滤波器，用程控方法对频率动态范围的信号进行滤波。程控滤波器 就是我们需要的，该系统的最大特点在于其滤波模式可以程控选择，且一 3 dB截止频率程控可调，相当于一个集多功能于一体的滤波器，将有更好的应用前景。此
3、外，系统具有幅频特性测试的功能，并通过示波器显示频谱特性，可直观地反应滤波效果。 二、 主题 程控滤波器的基本功能是要实现高通，低通和带通功能，通带截止频率和增益在某个范围内可调，当然对误差也有一定要求。此外，我们还可以实现一些扩展功能，如 滤波器截止频率和放大器放大倍数可通过 4 4 键盘设置并在液晶上显示 ; 幅频特性测试仪可绘出所测系统的幅频特性曲线。 实现多频点滤 波功能的方法通常有两种方法：第一种方法采用运算放大器、电阻、电容等分立元件组成有源滤波器来实现频率选择，该方法为了实现智能选择，必须采用模拟开关2 控制，同时电路使用的元件较多，故会导致参数调整相当困难：第二种是采用多级选频
4、电路串联方式但该方法由于器件参数离散性的影响要求所有选频回路在中心频率上偏差很小，这将使改变多级中心频率点的滤波变得十分困难。所以， 我们可以根据滤波器参数的不同选择不同的方法，较普遍的是基于 FPGA与单片机结合的方案。 使用可编程滤波器芯片 MAX262可以通过编程对各种低频信号实现低通、 高通、带通、带阻以及全通滤波处理。且滤波的特性参数 (如中心频率、品质因数等 )，可通过编程进行设置， 电 路的外围器件也很少 同时用单片机对 MAX262进行过程控制，还可以同时对两路输入信号进行 二阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理。这使得滤波器的中心频率可以在 l5 Hz50kHz范围内实现
5、 64级程控调节，其 Q值可在 0 5 64范围内实现 128级程控调节。 程控滤波器硬件主要由两部分组成，前一级为放大器，将输入信号前置放大；后一级为二阶滤波器，通带频率由程序设置。如图 1所示： 图 1 程控滤波器的硬件电路图 放大电路模块的选择 方案 1：数字电位器控制两级 INA129级联。用 FPGA控制数字电位器 DS1267使其输出不同的阻值， 作为高精度仪表放大器 INA129的反馈电阻。通过控制数字电位器来改变 INA129的放大倍数， 从而实现放大器的增益可调。 方案 2：采用可变增益放大器 AD603实现。可变增益放大器内部由 一 梯形电阻网络和周定增益放大器构成，加在其
6、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 13的参考电压决定；可通过单片机控制，由 DAC产生精确的参考电压控制增益，从而实现较精确的数控。由于输入的正弦小信号振幅 10 mV，电压增益 60 dB， 10 dB步进程控可调。且电压增益误差不能大于 5。对精度而言两个方案都可实现，在 AD603后再加一级放大也可实现 6O dB的放大倍数。但数字电位器内部结构复杂。有电容影响，后级接运 放后会带来意想不到的后果，因此采用方案 2。 3 滤波模块的选择 方案 1：采用数字滤波器。利用 MATLAB的数字滤波器设计 FIR或者 IIR滤波器。数字滤波器具有精度高，
7、截止特性好等优点。但是 nR滤波器会占用太多 FPGA资源， IIR滤波器设计时工作量大且稳定性不高，且要使截止频率可调，必须使用不同的参数，设计起来软件量比较大。 方案 2：采用无源 C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，可以比较容易地设计出理想的滤波器。但是如果要截止频率可调，只有改变电感电容参数，硬件会非常 复杂。 方案 3：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、 M0S电容和 MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。其开关电容组在时钟频率的驱动下。可以等效成一个和时钟频率有关的等效电阻。当用外部时钟改变时，等效
8、电阻改变，从而改变了滤波器的时问常数，也就改变了滤波特性。开关电容滤波器可以直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要 A D、 D A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。 综上所述，本系统采用方案 3，利用集成芯片 MAX292实现程控滤波器。 结论 从各参考文献比较可知，用 不同的方法实现程控滤波器的功能大同小异，经比较，此方案简单，廉价，实用。 参考文献 1全国大学生电子设计竞赛组委会全国大学生电子设计竞赛获奖作品 (2007)M北京：北京理工大学出版社 2007 2潘秀琴，李元，卢勇基于 FPGA 程控滤波器设计与实现 J微计算机信息， 2010(11)：124 126 PAN
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