以FPGA为控制核心的程控滤波器设计.docx

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1、以FPGA为控制核心的程控滤波器设计滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件,可用于对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除。它在电壬领域中占有很重要的地位，在信号处理、抗干扰处理、电力系统、抗混叠处理中都得到了广泛的应用。而对于程控滤波器，该系统的最大特点在于其滤波模式可以程控选择，且-3dB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。1方案论证与选择1.1 可变增益放大模块的设计与论证方案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

2、，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，从而实现放大番的增益可调。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旦的参考电压决定；可通过单片机控制，由姬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10mV,电压增益60dB,10dB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60dB的放大倍数。但数字电位器内部结构

3、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。1.2 滤波器模块的设计与论证方案1采用数字滤波器。利用他I1坦的数字滤波器设计F1R或者I1R滤波器。数字滤波器具有精度高，截止特性好等优点。但是FIR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1C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型3开关电容滤波器

4、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，等效电阻改变，从而改变了滤波器的时间常敦，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MAX297实现低通滤波器，利用1TCIO68实现直围滤波器；采用方案2,利用无源1C滤波器技术来实现四阶椭圆低通滤波器。2系统总体设计方案及实现方框图本系统以单片机及FPGA为控制核心，由可控增益放大模块、程控

5、滤波模块和幅频特性测试模块构成。系统框图如图1所示。输入振幅为1V的信号经分压网络衰减后变成振幅10mV的小信号，经0PA690前级放大2倍，同时起到阻抗变换和隔离的作用。与此同时由AD9851产生一设定频率的正弦信号，通过模拟开关选择一道送到后级。信号由程序控制AD603进行060dB的可调增益放大后，送入滤波模块。滤波模块包括低通、高通、椭圆滤波器，其中低通、高通由程序控制-3dB截止频率在30kHz范围内可调，步进IkHZ.椭圆滤波器截止频率50kHz.再通过模拟开关选择某一特定滤波信号输出，经有效值检波和A/D转换后送入FPGA进行幅频特性的测试，再用两块DAC0800实现幅频特性曲线

6、的显示。点阵液晶单片机89C51放大器增益控制C1K扫频信号控制矩阵键盘键盘扫描频性试幅特测0PA690前级放大AD9851A/DMAX120通道选择AD603可变增益放大MAX297-四阶椭圆低通滤波密T1C1068高通滤波段有效值检波AD637A1DACo8001A1DACo8001X轴Y图1系统整体框图3主要功能电路设计3.1放大模块放大模块的具体电路如图2所示。第一部分是一个分压网络，其中前4个电阻将输入信号衰减100倍，并与信号源内阻共同构成51Q阻抗，后面的51。为匹配电阻。第二部分采用0PA690将小信号放大2倍，同时起到阻抗变换和隔离的作用。由于AD603输入阻抗为IOOQ,所

7、以在后面串接一个100Q的电阻进行匹配。第三部分即为AD603可变增益放大，它的增益随着控制电压的增大以dB为单位线性增长。1脚的参考电压通过单片机进行运算并控制DAC芯片输出电压来得到，从而实现精确的数控。增益G(dB)=40VG+G0,其中VG为差分输入电压，范围-500500mV;Go是增益起点，接不同反馈网络时也不同。在5、7脚间接一个5kQ的电位器,从而改变。12V1-t-5图2放大模块3.2高通滤波模块1TC1O68是低噪声高精度通用滤波器，当其用于高通滤波时，截止频率范围1Hz50kHz,并且直至截止频率的200倍都无混叠现象。由于1TC1O68的4个通道都是低噪声、高精度、高性

8、能的2阶滤波器，因此每个通道只要外接若干电阻就可以实现低通、高通、带通和带阻滤波器的功能。具体电路如图3所示。其中B端IJQ值0.57,A端口Q值约为1.在电路的调试中发现，A口的Q值需比B口Q值大，否则信号在截止频率处幅值会有上翘。10kI10k)，H=vTn-44=56kQ110k+5vGND10kcziIOkQ510k_234n6789H)12INVBHPB/NBBPB1PBSBAGNDV+SA1PABPAHPA/NAINVAINVCHPC/NCBPC1PCSCV-C1KSD1PDBPDI1PDNDINVD24232227To?T7200TF15(56pF=Q-d2.2k6.8k3GND

9、1TC1068图31TC1068高通滤波1TC1o68的时钟频率与通带之比为200:1,由于1TC1O68内部对时钟信号C1K二倍频，所以当截止频率最小为1kHz时，内部时钟频率其实为400kHz,故在1TC1068后面再加一个截止频率为450kHz的低通滤波器以滤除分频带来的噪声及高次谐波。3. 3低通滤波模块用MAX297实现低通滤波器。开关电容滤波器MAX297可以设置为8阶低通椭圆滤波器，阻带衰减为-80dB,时钟频率与通带频率之比为50:1.通过改变C1K的频率，即可满足滤波器-3dB截止频率在20kHz范围内可调，步进1kHz的要求。在使用MAX297时要注意的是，当信号频率和采样

10、辨率同频，开关电容组在电容上各次采到相同的幅度为信号幅值的信号，相当于输入信号为直流的情况，使滤波器输出一个直流电平。同理，当信号频率为采样频率的整数倍时，也会出现相同的现象。为此，在其前面，要增加模拟低通滤波器，把采样频率及其以上的高频信号有效地排除。故又用一级MAX297,截止频率设置为50kHz.其中时钟频率设置为2.5MHz.在其后面，也要增加低通滤波器，其截止频率为150kHz,以滤去信号的高频分量，使波形更加平滑。具体电路如图4所示。图4MAX297低通滤波3.4四阶椭圆低通模块系统要求制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏W1dB,-3dB通带为50kHz,采用无源1C椭圆低通滤

11、波器来实现。用Fi1忠rSo1Ution模拟仿真滤波器，随后在皿1或1中再模拟仿真并调整电容、电感的参数使其为标称值。此外，在椭圆滤波器前后接射级跟随器避免前后级影峋。具体电路如图54系统软件设计系统软件设计由单片机和FPGA组成，用户可以通过界面的显示选择高通、低通和椭圆滤波器，可以设置截止频率，同时可以显示幅频曲线。其中单片机主要完成用户的输入输出处理和系统控制，FPGA主要完成的功能有：控制AD9851产生扫频信号、控制滤波器截止频率的时钟信号的产生以及控制两块D/A以显示幅频特性曲线。程序流程图如图6所示。开始放大器扫描滤波器设置增益显示幅频曲线图6程序流程图5测试方案与测试结果5.1

12、 放大器测试放大器输入端的正弦信号频率为10kHz,振幅为10mV,设定增益大小分别为10、20、30、40、50、60dB,用示波器测量实际输出幅值，计算出实际增益，其误差小于1%.此外，测得放大器通频带为200kHz。5.2 低通、高通滤波器测试将放大器增益设置为40dB,滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器截止频率在30kHz范围，步进为IkHZ.用示波器测量实际截止频率，计算相对误差小于1.5%,且2fc处的电压总增益小于20dB.高通滤波器测试方法同理。5.3 椭圆滤波器测试放大器增益设置为40dB,用示波器测量实际-3dB截止频率和200kHz处的总电压增益。测得fc=50.0kHz

13、,在150kHz处幅度就已几乎衰减到0.5.4 幅频特性与相频特性测试测量低通、高通滤波器的频率特性，在示波器上显示其幅频特性曲线，与所设置的滤波模式及截止频率相符。6结束语本系统放大器增益范围1060dB,通频带200kHz,增益误差小于1%.滤波器截止频率范围广30kHz,误差小于1.5%.椭圆滤波器截止频率误差为0,在150kHz处幅度几乎衰减到0.误差主要于时钟频率，当截止频率为20kHz的时候，所需最高的时钟频率为2MHz,不能保证很好的时钟沿，而且时钟频率也不可能精确地控制，以及放大器的非线性误差。此外，利用DACO800和有效值检波电路实现了幅频特性测试仪，系统整体性能良好。整个系统在单片机和FPGA的有机结合、协同控制下，工作稳定，测量精度高，人机交互灵活。