一種程控濾波器的設(shè)計(jì)

　　在電路分析中，定值電阻可以認(rèn)為是一個(gè)單端網(wǎng)絡(luò)，給一個(gè)激勵(lì)電壓Un，它就可以輸出一個(gè)響應(yīng)電流I0，而電阻的阻抗定義為R0=U0／I0。對(duì)于電流型的D／A轉(zhuǎn)換器也可以這樣認(rèn)為，如果將D／A轉(zhuǎn)換器的參考電壓看做是激勵(lì)電壓輸入，那么輸出電流就可以看做是響應(yīng)電流了。通過(guò)軟件設(shè)置D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的數(shù)字量，就可以起到改變響應(yīng)電流的目的。

　　采用四通道電流輸出型串行D／A轉(zhuǎn)換器MAX514，MA514是倒T形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)D／A轉(zhuǎn)換器，則其輸出電壓公式為

　　2．3 濾波器參數(shù)分析

　　如圖2所示，四路運(yùn)算放大器分別輸出高通、低通、帶通、帶阻。且R01=R02=R03=R04=10 kΩ，R05=R06=R07=10 kΩ，這決定了濾波器輸出的增益：KHP=1，RBP=-1，RLP=1，RBS=-l。設(shè)計(jì)中選取Cl=C2=180 pF，濾波器的截止頻率(或中心頻率)為：

　　因此截止頻率(或中心頻率)可設(shè)置的范圍為15．8 Hz～64．5 kHz。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的范圍頻率范圍為100 Hz～50 kHz，在一定截止頻率范圍內(nèi)，Q值的設(shè)定范圍為0．5～5。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思想。采用模塊化方法，即是對(duì)某一硬件模塊進(jìn)行控制時(shí)，只需調(diào)用相應(yīng)的控制模塊即可。模塊內(nèi)采用層次化設(shè)計(jì)，把底層的硬件接口處理編制為獨(dú)立底層子程序，并向上提供處理的數(shù)據(jù)，且對(duì)上層功能模塊屏蔽底層硬件接口部分。最后，主程序只需要調(diào)用相關(guān)的功能模塊就可以方便構(gòu)建系統(tǒng)。

　　本系統(tǒng)的軟件部分主要由單片機(jī)組成，其中主要包括系統(tǒng)的初始化、中斷的響應(yīng)和中斷的處理。該設(shè)計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)以鍵盤(pán)的按鍵中斷為主線(xiàn)，通過(guò)讀入用戶(hù)輸入的鍵值，在相應(yīng)的中斷響應(yīng)函數(shù)中以總線(xiàn)的方式與外部硬件電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器截止頻率(中心頻率)以及Q值的設(shè)定。系統(tǒng)軟件流程見(jiàn)圖3。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試

　　該系統(tǒng)利用數(shù)字合成信號(hào)源、雙蹤示波器、仿真機(jī)、交流電壓表進(jìn)行了測(cè)試。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的頻率，并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值，將實(shí)際測(cè)量值和預(yù)置值進(jìn)行對(duì)比和分析。

　　對(duì)于低通或者高通濾波器，預(yù)置其Q值(品質(zhì)因數(shù))為0．707。測(cè)試結(jié)果表明，濾波器截止頻率在100 Hz～50 kHz可調(diào)，實(shí)際測(cè)量的截止頻率與設(shè)置值誤差小于1％。在濾波器的阻帶內(nèi)，達(dá)到10倍頻程40 dB衰減的效果，通帶內(nèi)起伏小于0．5 dB。

　　對(duì)于帶通或者帶阻濾波器，預(yù)置其Q值為5，測(cè)試結(jié)果表明，濾波器中心頻率在600 Hz～7．2 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，實(shí)際測(cè)量的Q值與預(yù)置值誤差小于3％。

　　5 結(jié)論

　　設(shè)計(jì)了一種程控濾波器，這種方案的原理有別于開(kāi)關(guān)電容濾波器，而是采用狀態(tài)變量濾波器和電流型D／A轉(zhuǎn)換器。就這種方案的本質(zhì)而言，利用了電流型D／A轉(zhuǎn)換器的倒T形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)改變狀態(tài)變量濾波器中用來(lái)決定截止頻率和Q值的電阻阻值，從而實(shí)現(xiàn)了濾波器的程控，濾波器截止頻率和Q值的分辨率隨電阻網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模的增加而提高。在大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)中，可以把狀態(tài)變量濾波器和倒T形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)集成到單個(gè)芯片中，這樣能夠大大減少設(shè)計(jì)成本，具有很好的應(yīng)用前景。本文僅僅是提出了一個(gè)大致的設(shè)計(jì)思路，還有待在實(shí)際運(yùn)用中進(jìn)一步完善。