基于單片機(jī)及FPGA的程控濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

濾波器是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，可用于對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除。它在電子領(lǐng)域中占有很重要的地位，在信號(hào)處理、抗干擾處理、電力系統(tǒng)、抗混疊處理中都得到了廣泛的應(yīng)用。而對(duì)于程控濾波器，該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)在于其濾波模式可以程控選擇，且-3dB截止頻率程控可調(diào)，相當(dāng)于一個(gè)集多功能于一體的濾波器，將有更好的應(yīng)用前景。此外，系統(tǒng)具有幅頻特性測(cè)試的功能，并通過(guò)示波器顯示頻譜特性，可直觀地反應(yīng)濾波效果。

1方案論證與選擇

1．1可變?cè)鲆娣糯竽K的設(shè)計(jì)與論證

方案1：數(shù)字電位器控制兩級(jí)INA129級(jí)聯(lián)。用FPGA控制數(shù)字電位器DS1267使其輸出不同的阻值，作為高精度儀表放大器INA129的反饋電阻。通過(guò)控制數(shù)字電位器來(lái)改變INA129的放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)放大器的增益可調(diào)。

方案2：采用可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603實(shí)現(xiàn)?？勺?cè)鲆娣糯笃鲀?nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定；可通過(guò)單片機(jī)控制，由DAC產(chǎn)生精確的參考電壓控制增益，從而實(shí)現(xiàn)較精確的數(shù)控。

由于輸入的正弦小信號(hào)振幅10mV，電壓增益60dB，10dB步進(jìn)程控可調(diào)，且電壓增益誤差不能大于5％。對(duì)精度而言兩個(gè)方案都可實(shí)現(xiàn)，在AD603后再加一級(jí)放大也可實(shí)現(xiàn)60dB的放大倍數(shù)。但數(shù)字電位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有電容影響，后級(jí)接運(yùn)放后會(huì)帶來(lái)意想不到的后果，因此采用方案2。

1．2濾波器模塊的設(shè)計(jì)與論證

方案1：采用數(shù)字濾波器。利用MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)FIR或者IIR濾波器。數(shù)字濾波器具有精度高，截止特性好等優(yōu)點(diǎn)。但是FIR濾波器會(huì)占用太多FPGA資源，IIR濾波器設(shè)計(jì)時(shí)工作量大且穩(wěn)定性不高，且要使截止頻率可調(diào)，必須使用不同的參數(shù)，設(shè)計(jì)起來(lái)軟件量比較大。

方案2；采用無(wú)源LC濾波器。利用電感和電容可以搭建各種類型的濾波器。參照濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)上的相關(guān)參數(shù)，可以比較容易地設(shè)計(jì)出理想的濾波器。但是如果要截止頻率可調(diào)，只有改變電感電容參數(shù)，硬件會(huì)非常復(fù)雜。

方案3：采用集成的開(kāi)關(guān)電容濾波器芯片。開(kāi)關(guān)電容濾波器是由MOS開(kāi)關(guān)、MOS電容和MOS運(yùn)算放大器構(gòu)成的一種大規(guī)模集成電路濾波器。其開(kāi)關(guān)電容組在時(shí)鐘頻率的驅(qū)動(dòng)下，可以等效成一個(gè)和時(shí)鐘頻率有關(guān)的等效電阻。當(dāng)用外部時(shí)鐘改變時(shí)，等效電阻改變，從而改變了濾波器的時(shí)間常敦，也就改變了濾波特性。開(kāi)關(guān)電容濾波器可以直接處理模擬信號(hào)，而不必像數(shù)字濾波器那樣需要A／D、D／A變換，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

綜上所述，本系統(tǒng)采用方案3，利用集成芯片MAX297實(shí)現(xiàn)低通濾波器，利用LTC1068實(shí)現(xiàn)高通濾波器；采用方案2，利用無(wú)源LC濾波器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)四階橢圓低通濾波器。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方框圖

本系統(tǒng)以單片機(jī)及FPGA為控制核心，由可控增益放大模塊、程控濾波模塊和幅頻特性測(cè)試模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。輸入振幅為1V的信號(hào)經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)衰減后變成振幅10mV的小信號(hào)，經(jīng)OPA690前級(jí)放大2倍，同時(shí)起到阻抗變換和隔離的作用。與此同時(shí)由AD9851產(chǎn)生一設(shè)定頻率的正弦信號(hào)，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇一道送到后級(jí)。信號(hào)由程序控制AD603進(jìn)行0～60dB的可調(diào)增益放大后，送入濾波模塊。濾波模塊包括低通、高通、橢圓濾波器，其中低通、高通由程序控制-3dB截止頻率在1～30kHz范圍內(nèi)可調(diào)，步進(jìn)1kHz。橢圓濾波器截止頻率50kHz。再通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇某一特定濾波信號(hào)輸出，經(jīng)有效值檢波和A／D轉(zhuǎn)換后送入FPGA進(jìn)行幅頻特性的測(cè)試，再用兩塊DAC0800實(shí)現(xiàn)幅頻特性曲線的顯示。

3主要功能電路設(shè)計(jì)

3．1放大模塊

放大模塊的具體電路如圖2所示。第一部分是一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)，其中前4個(gè)電阻將輸入信號(hào)衰減100倍，并與信號(hào)源內(nèi)阻共同構(gòu)成51Ω阻抗，后面的51Ω為匹配電阻。第二部分采用OPA690將小信號(hào)放大2倍，同時(shí)起到阻抗變換和隔離的作用。由于AD603輸入阻抗為100Ω，所以在后面串接一個(gè)100Ω的電阻進(jìn)行匹配。第三部分即為AD603可變?cè)鲆娣糯?，它的增益隨著控制電壓的增大以dB為單位線性增長(zhǎng)。1腳的參考電壓通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并控制DAC芯片輸出電壓來(lái)得到，從而實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)控。增益G(dB)=40VG+G0，其中VG為差分輸入電壓，范圍-500～500mV；G0是增益起點(diǎn)，接不同反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)也不同。在5、7腳間接一個(gè)5kΩ的電位器，從而改變。