原创 程控滤波器的故事

       程控滤波器是2007年全国电赛的D题，一个很经典的模拟题目。很自然的，这道题成为了我们参加2009年竞赛的必做训练题目。记得做这个题的那一周还正好碰上了本世纪最精彩的一次日全食，挺令人唏嘘。

      题目的要求是这样的：

        设计并制作程控滤波器，其组成如图1所示。放大器增益可设置；低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。

  1. 基本要求
（1）放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通频带为100Hz～40kHz，放大器输出电压无明显失真。
（2）滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL="1k"Ω。
（3）滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL="1k"Ω。
（4）电压增益与截止频率的误差均不大于10%。
（5）有设置参数显示功能。
2. 发挥部分
（1）放大器电压增益为60dB，输入信号电压振幅为10mV；增益10dB步进可调，电压增益误差不大于5%。
（2）制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB，-3dB通带误差不大于5%。
（3）制作一个简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号的频率变化范围是100Hz～200kHz，频率步进10kHz。

       题目看似平淡，指标尽是一些关于放大器增益、滤波器截止频率的东西。然而仔细一看，处处都有出彩之处，处处反映出模拟电路设计之妙。没有用心投入，将很难把持住题目的要旨。而一个星期之中曲曲折折的故事，留给了我深深的回忆。

      题目中的放大器设计与制做是第一步，看起来应该是算作题目的一个附属部分，稍微给题目增加一些拐弯抹角的地方。很显然，这是要求要制作一个高增益并且增益可变的低频放大器，设计难度并不是很大，方案很多，但对电路的布局布线以及制做有着较高的要求。

      一提到可编程增益放大器，自然就想到TI的PGA系列——PGA202、PGA204以及PGA205等。如果题目对增益和带宽的要求较为苛刻，而对噪声要求不高时，AD603又必将被提及。看题目所述，输入正弦电压的幅值为10mV，亦即Vp-p=20mV，当增益为40dB(放大100倍)时输出的电压Vp-p=2V。考虑信号频率的范围，可以得出所需的放大器的增益带宽积应该为4M，要求并不是很苛刻。

        起初我们并没有采用AD603的方案。AD603是一个老片子了，这一点从它的封装就可以看出。还有使用中发现噪声比较大，所以能回避就回避。我们手头有TI的PGA4311，是一种用于音频设备音量调整的放大器，其增益调整范围为+31.5dB 到–95.5dB， 0.5dB 步进可调。如果要做到40dB的增益，只需在后面再加一级放大器即可。较之AD603使用压控调整增益的方式，PGA4311可以直接由处理器读写SPI接口进行增益控制，使用起来非常方便。由于这是一个数模混合芯片，所以其数字部分和模拟部分分开进行通信，模拟电源为正负5V，数字电源为5V，数模地之间有隔离。似乎使用这样一块方便的IC我们的程控放大器就成功了，哪知天有不测风云。电路调试的过程中没有出波形就烧毁了两块，出波形后烧毁了一块，原因很令人费解。于是该方案作罢，我们又重新投入了AD603的怀抱。AD603的调试要点在于调整其增益控制电压。(未完)