原创 【TI博客大赛】程控滤波器

本系统以msp430单片机和FPGA为控制和处理核心，利用开关电容滤波器MAX297实现了放大器增益，低通、高通滤波器通带、截止频率等参数可设置程控滤波器。本系统主要包括三个部分：程控放大器部分、程控滤波器部分、和幅频特性测试部分。增益设置为0~60dB可调，步进为10dB，误差小于5%。程控滤波器可实现高通、低通和带通滤波，-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz。同时又制作了带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz的椭圆滤波器。此外，还可精确地测量幅频特性并在LCD上显示幅频特性曲线。系统人机交互界面友好，达到了较好的性能指标。

一、   方案论证与选择

(1).程控放大器方案

方案一：采用D/A转换器来实现。利用D/A转换器内部的电阻网络加上运放，便可控制放大倍数。此种方案虽然外围电路较简单，但是由于D/A转换器本身的速度问题，频率范围只能达到几十KHz，对后级要求频率达到200KHz的测试造成影响，而且其噪声也很大，所以放弃此方案。

方案二：运放+模拟开关+电阻网络。这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。由于题目中要求测步进为10dB的7种增益，动态范围为60dB，就需要将运放的反馈电阻接7种不同的阻值，通过模拟开关切换方可达到要求。此方案由于模拟开关的导通电阻非线性，会影响放大的增益，而且在较大增益的情况下，稳定性也极差，所以放弃此方案。

方案三：采用可控增益运放AD603与其他运放级联的方式实现。因为一级AD603的增益动态范围只有40dB，不能到达题目要求，两级AD603又极容易自激，所以我们采用一级AD603增益可调和两级OP37固定增益级联的方式达到60dB的题目要求。此种方法实现上较直观容易，控制起来比较方便也较精确，故采用此方案。

(2).程控滤波器方案

方案一：采用数字滤波器。利用Matlab的数字滤波器软件设计FIR或IIR滤波器，然后在FPGA中用Verilog语言来实现。数字滤波器具有精度高、截止特性好等优点。但是数字滤波器会占用大量FPGA资源，设计时工作量大稳定性不高，且要求截止频率可调，必须使用不同的参数，设计起来软件量较大。我们放弃了此方案。

方案二：通过改变通常所用的有源滤波器的电容电阻值来改变滤波器的参数。这样必然需要数量庞大的电阻电容来实现参数的切换，切换电路过于复杂，且会引入很大的分布电容和电感，误差很大。故放弃此方案。

方案三：采用开关电容滤波器。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。其开关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R=1/2πCfc。C为开关电容组的电容；fc为该滤波器的时钟频率。当用外部时钟改变fc时，等效电阻R改变，从而改变了滤波器的时间常数，也就改变了该低通滤波器的通频带。此方案操作简单，而且目前市场上有集成的开关电容滤波器芯片，所以我们采用了这个方案。

本系统以msp430单片机和FPGA为控制和处理核心，利用开关电容滤波器MAX297实现了放大器增益，低通、高通滤波器通带、截止频率等参数可设置程控滤波器。本系统主要包括三个部分：程控放大器部分、程控滤波器部分、和幅频特性测试部分。增益设置为0~60dB可调，步进为10dB，误差小于5%。程控滤波器可实现高通、低通和带通滤波，-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz。同时又制作了带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz的椭圆滤波器。此外，还可精确地测量幅频特性并在LCD上显示幅频特性曲线。系统人机交互界面友好，达到了较好的性能指标。

一、   方案论证与选择

(1).程控放大器方案

方案一：采用D/A转换器来实现。利用D/A转换器内部的电阻网络加上运放，便可控制放大倍数。此种方案虽然外围电路较简单，但是由于D/A转换器本身的速度问题，频率范围只能达到几十KHz，对后级要求频率达到200KHz的测试造成影响，而且其噪声也很大，所以放弃此方案。

方案二：运放+模拟开关+电阻网络。这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。由于题目中要求测步进为10dB的7种增益，动态范围为60dB，就需要将运放的反馈电阻接7种不同的阻值，通过模拟开关切换方可达到要求。此方案由于模拟开关的导通电阻非线性，会影响放大的增益，而且在较大增益的情况下，稳定性也极差，所以放弃此方案。

方案三：采用可控增益运放AD603与其他运放级联的方式实现。因为一级AD603的增益动态范围只有40dB，不能到达题目要求，两级AD603又极容易自激，所以我们采用一级AD603增益可调和两级OP37固定增益级联的方式达到60dB的题目要求。此种方法实现上较直观容易，控制起来比较方便也较精确，故采用此方案。

(2).程控滤波器方案

方案一：采用数字滤波器。利用Matlab的数字滤波器软件设计FIR或IIR滤波器，然后在FPGA中用Verilog语言来实现。数字滤波器具有精度高、截止特性好等优点。但是数字滤波器会占用大量FPGA资源，设计时工作量大稳定性不高，且要求截止频率可调，必须使用不同的参数，设计起来软件量较大。我们放弃了此方案。

方案二：通过改变通常所用的有源滤波器的电容电阻值来改变滤波器的参数。这样必然需要数量庞大的电阻电容来实现参数的切换，切换电路过于复杂，且会引入很大的分布电容和电感，误差很大。故放弃此方案。

方案三：采用开关电容滤波器。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。其开关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R=1/2πCfc。C为开关电容组的电容；fc为该滤波器的时钟频率。当用外部时钟改变fc时，等效电阻R改变，从而改变了滤波器的时间常数，也就改变了该低通滤波器的通频带。此方案操作简单，而且目前市场上有集成的开关电容滤波器芯片，所以我们采用了这个方案。