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根据单片机和FPGA规划的程控滤波器

以单片机和可编程逻辑器件(FPGA)为控制核心,设计了一个程控滤波器,实现了小信号程控放大、程控调整滤波器截止频率和幅频特性测试的功能。其中放大模块由可变增益放大器AD603实现,最大增益60dB

  以单片机和可编程逻辑器材(FPGA)为操控中心,规划了一个程控滤波器,完结了小信号程控扩大、程控调整滤波器截止频率和幅频特性测验的功用。其间扩大模块由可变增益扩大器AD603完结,最大增益60dB,10dB步进可调,增益差错小于1%。程控滤波模块由MAX297低通滤波、TLC1068高通滤涉及椭圆低通滤波器构成,滤波形式用模仿开关挑选。本体系程控调整有源滤波的-3dB截止频率,使其在1~30kHz规模内可调,差错小于1.5%。此外,选用有用值采样芯片AD637及12位并行A/D转化器MAX120完结了对扫频信号崎岖的丈量。

  滤波器是一种用来消除搅扰杂讯的器材,可用于对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有用滤除。它在电子领域中占有很重要的位置,在信号处理、抗搅扰处理、电力体系、抗混叠处理中都得到了广泛的运用。而关于程控滤波器,该体系的最大特色在于其滤波形式能够程控挑选,且-3 dB截止频率程控可调,相当于一个集多功用于一体的滤波器,将有更好的运用远景。此外,体系具有幅频特性测验的功用,并经过示波器显现频谱特性,可直观地反响滤波效果。

  1 计划证明与挑选

  1.1 可变增益扩大模块的规划与证明

  计划1:数字电位器操控两级INA129级联。用FPGA操控数字电位器DS1267使其输出不同的阻值,作为高精度外表扩大器INA129的反应电阻。经过操控数字电位器来改动INA129的扩大倍数,然后完结扩大器的增益可调。

  计划2:选用可变增益扩大器AD603完结。可变增益扩大器内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益扩大器构成,加在其梯型网络输入端的信号经衰减后,由固定增益扩大器输出,衰减量是由加在增益操控接口的参阅电压决议;可经过单片机操控,由DAC发生准确的参阅电压操控增益,然后完结较准确的数控。

  因为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,且电压增益差错不能大于5%。对精度而言两个计划都可完结,在AD603后再加一级扩大也可完结60 dB的扩大倍数。但数字电位器内部结构杂乱,有电容影响,后级接运放后会带来意想不到的成果,因而选用计划2。

  1.2 滤波器模块的规划与证明

  计划1:选用数字滤波器。运用MATLAB的数字滤波器规划FIR或许IIR滤波器。数字滤波器具有精度高,截止特性好等长处。可是FIR滤波器会占用太多FPGA资源,IIR滤波器规划时作业量大且安稳性不高,且要使截止频率可调,有必要运用不同的参数,规划起来软件量比较大。

  计划2;选用无源LC滤波器。运用电感和电容能够建立各种类型的滤波器。参照滤波器规划手册上的相关参数,能够比较容易地规划出抱负的滤波器。可是假如要截止频率可调,只需改动电感电容参数,硬件会非常杂乱。

  计划3:选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运算扩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,能够等效成一个和时钟频率有关的等效电阻。当用外部时钟改动时,等效电阻改动,然后改动了滤波器的时刻常敦,也就改动了滤波特性。开关电容滤波器能够直接处理模仿信号,而不用像数字滤波器那样需求A/D、D/A改换,简化了电路规划,提高了体系的可靠性。

  综上所述,本体系选用计划3,运用集成芯片MAX297完结低通滤波器,运用LTC1068完结高通滤波器;选用计划2,运用无源LC滤波器技能来完结四阶椭圆低通滤波器。

  2 体系全体规划计划及完结方框图

  本体系以单片机及FPGA为操控中心,由可控增益扩大模块、程控滤波模块和幅频特性测验模块构成。体系框图如图1所示。输入振幅为1 V的信号经分压网络衰减后变成振幅10 mV的小信号,经OPA690前级扩大2倍,一起起到阻抗改换和阻隔的效果。与此一起由AD9851发生一设定频率的正弦信号,经过模仿开关挑选一道送到后级。信号由程序操控AD603进行0~60dB的可调增益扩大后,送入滤波模块。滤波模块包含低通、高通、椭圆滤波器,其间低通、高通由程序操控-3 dB截止频率在1~30 kHz规模内可调,步进1kHz。椭圆滤波器截止频率50 kHz。再经过模仿开关挑选某一特定滤波信号输出,经有用值检波和A/D转化后送入FPGA进行幅频特性的测验,再用两块DAC0800完结幅频特性曲线的显现。

  

 

  3 首要功用电路规划

  3.1 扩大模块

  扩大模块的详细电路如图2所示。榜首部分是一个分压网络,其间前4个电阻将输入信号衰减100倍,并与信号源内阻一起构成51Ω阻抗,后边的51Ω为匹配电阻。第二部分选用OPA690将小信号扩大2倍,一起起到阻抗改换和阻隔的效果。因为AD603输入阻抗为100Ω,所以在后边串接一个100 Ω的电阻进行匹配。第三部分即为AD603可变增益扩大,它的增益跟着操控电压的增大以dB为单位线性添加。1脚的参阅电压经过单片机进行运算并操控DAC芯片输出电压来得到,然后完结准确的数控。增益G(dB)=40VG+G0,其间VG为差分输入电压,规模-500~500mV;G0是增益起点,接不同反应网络时也不同。在5、7脚直接一个5kΩ的电位器,然后改动。

  

 

  3.2 高通滤波模块

  LTC1068是低噪声高精度通用滤波器,当其用于高通滤波时,截止频率规模1 Hz~50 kHz,并且直至截止频率的200倍都无混叠现象。因为LTC1068的4个通道都是低噪声、高精度、高功能的2阶滤波器,因而每个通道只需外接若干电阻就能够完结低通、高通、带通和带阻滤波器的功用。详细电路如图3所示。其间B端口Q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,不然信号在截止频率处幅值会有上翘。

  

 

  LTC1068的时钟频率与通带之比为200:1,因为LTC1068内部对时钟信号CLK二倍频,所以当截止频率最小为1 kHz时,内部时钟频率其实为400kHz,故在LTC1068后边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完结低通滤波器。开关电容滤波器MAX297能够设置为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。经过改动CLK的频率,即可满意滤波器-3 dB截止频率在1~20kHz规模内可调,步进1 kHz的要求。

  在运用MAX297时要注意的是,当信号频率和采样辨率同频,开关电容组在电容上各次采到相同的崎岖为信号幅值的信号,相当于输入信号为直流的状况,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,也会呈现相同的现象。为此,在其前面,要添加模仿低通滤波器,把采样频率及其以上的高频信号有用地扫除。故又用一级MAX297,截止频率设置为50kHz。其间时钟频率设置为2.5 MHz。在其后边,也要添加低通滤波器,其截止频率为150 kHz,以滤去信号的高频重量,使波形愈加滑润。详细电路如图4所示。

  

 

  3.4 四阶椭圆低通模块

  体系要求制造一个四阶椭圆型低通滤波器,带内崎岖≤1 dB,-3 dB通带为50 kHz,选用无源LC椭圆低通滤波器来完结。用Filter Sol ution模仿仿真滤波器,随后在Multisim中再模仿仿真并调整电容、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从器防止前后级影岣。详细电路如图5所示。

  

 

  4 体系软件规划

  体系软件规划由单片机和FPGA组成,用户能够经过界面的显现挑选高通、低通和椭圆滤波器,能够设置截止频率,一起能够显现幅频曲线。其间单片机首要完结用户的输入输出处理和体系操控,FPGA首要完结的功用有:操控AD9851发生扫频信号、操控滤波器截止频率的时钟信号的发生以及操控两块D/A以显现幅频特性曲线。程序流程图如图6所示。

  

 

  5 测验计划与测验成果

  5.1 扩大器测验

  扩大器输入端的正弦信号频率为10 kHz,振幅为10 mV,设定增益巨细分别为10、20、30、40、50、60dB,用示波器丈量实践输出幅值,核算出实践增益,其差错小于1%。此外,测得扩大器通频带为1~200kHz。

  5.2 低通、高通滤波器测验

  将扩大器增益设置为40dB,滤波器设置为低通滤波器,预置滤波器截止频率在1~30 kHz规模,步进为1kHz。用示波器丈量实践截止频率,核算相对差错小于1.5%,且2fc处的电压总增益小于20dB。高通滤波器测验办法同理。

  5.3 椭圆滤波器测验

  扩大器增益设置为40 dB,用示波器丈量实践-3 dB截止频率和200 kHz处的总电压增益。测得fc=50.0kHz,在150 kHz处崎岖就已简直衰减到0。

  5.4 幅频特性与相频特性测验

  丈量低通、高通滤波器的频率特性,在示波器上显现其幅频特性曲线,与所设置的滤波形式及截止频率相符。

  6 结束语

  本体系扩大器增益规模10~60 dB,通频带1~200 kHz,增益差错小于1%。滤波器截止频率规模1~30kHz,差错小于1.5%。椭圆滤波器截止频率差错为0,在150 kHz处崎岖简直衰减到0。差错首要来源于时钟频率,当截止频率为20 kHz的时分,所需最高的时钟频率为2MHz,不能确保很好的时钟沿,并且时钟频率也不可能准确地操控,以及扩大器的非线性差错。此外,运用DAC0800和有用值检波电路完结了幅频特性测验仪,体系全体功能杰出。整个体系在单片机和FPGA的有机结合、协同操控下,作业安稳,丈量精度高,人机交互灵敏。

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