解讀FPGA設(shè)計(jì)程控濾波器系統(tǒng)電路

　　以單片機(jī)和可編程邏輯器件（FPGA）為控制核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)程控濾波器，實(shí)現(xiàn)了小信號(hào)程控放大、程控調(diào)整濾波器截止頻率和幅頻特性測(cè)試的功能。其中放大模塊由可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603 實(shí)現(xiàn)，最大增益60dB，10dB 步進(jìn)可調(diào)，增益誤差小于1%。程控濾波模塊由MAX297 低通濾波、TLC1068 高通濾波及橢圓低通濾波器構(gòu)成，濾波模式用模擬開關(guān)選擇。本系統(tǒng)程控調(diào)整有源濾波的-3dB 截止頻率，使其在1~30kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，誤差小于1.5%。此外，采用有效值采樣芯片AD637及12 位并行A/D 轉(zhuǎn)換器MAX120 實(shí)現(xiàn)了對(duì)掃頻信號(hào)幅度的測(cè)量。

　　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-3 dB 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。

　　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)100 Ω的電阻進(jìn)行匹配。第三部分即為AD603 可變?cè)鲆娣糯螅脑鲆骐S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。

　　高通濾波模塊

　　LTC1068 是低噪聲高精度通用濾波器，當(dāng)其用于高通濾波時(shí)，截止頻率范圍1Hz～50 kHz，并且直至截止頻率的200 倍都無(wú)混疊現(xiàn)象。由于LTC1068 的4 個(gè)通道都是低噪聲、高精度、高性能的2 階濾波器，因此每個(gè)通道只要外接若干電阻就可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻濾波器的功能。具體電路如圖3 所示。其中B 端口Q 值0．57，A 端口Q 值約為1。在電路的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，A 口的Q值需比B 口Q 值大，否則信號(hào)在截止頻率處幅值會(huì)有上翹。

　　LTC1068 的時(shí)鐘頻率與通帶之比為200：1，由于LTC1068 內(nèi)部對(duì)時(shí)鐘信號(hào)CLK二倍頻，所以當(dāng)截止頻率最小為1 kHz 時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘頻率其實(shí)為400kHz，故在LTC1068 后面再加一個(gè)截止頻率為450kHz 的低通濾波器以濾除分頻帶來(lái)的噪聲及高次諧波。

　　低通濾波模塊

　　用MAX297 實(shí)現(xiàn)低通濾波器。開關(guān)電容濾波器MAX297 可以設(shè)置為8 階低通橢圓濾波器，阻帶衰減為-80dB，時(shí)鐘頻率與通帶頻率之比為50：1。通過(guò)改變CLK的頻率，即可滿足濾波器-3 dB 截止頻率在1～20kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，步進(jìn)1 kHz的要求。

　　在使用MAX297 時(shí)要注意的是，當(dāng)信號(hào)頻率和采樣辨率同頻，開關(guān)電容組在電容上各次采到相同的幅度為信號(hào)幅值的信號(hào)，相當(dāng)于輸入信號(hào)為直流的情況，使濾波器輸出一個(gè)直流電平。同理，當(dāng)信號(hào)頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。為此，在其前面，要增加模擬低通濾波器，把采樣頻率及其以上的高頻信號(hào)有效地排除。故又用一級(jí)MAX297，截止頻率設(shè)置為50kHz。其中時(shí)鐘頻率設(shè)置為2．5 MHz。在其后面，也要增加低通濾波器，其截止頻率為150kHz，以濾去信號(hào)的高頻分量，使波形更加平滑。具體電路如圖4 所示。

　　四階橢圓低通模塊

　　系統(tǒng)要求制作一個(gè)四階橢圓型低通濾波器，帶內(nèi)起伏≤1 dB，-3 dB 通帶為50kHz，采用無(wú)源LC 橢圓低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。用Filter Sol uTIon 模擬仿真濾波器，隨后在MulTIsim 中再模擬仿真并調(diào)整電容、電感的參數(shù)使其為標(biāo)稱值。此外，在橢圓濾波器前后接射級(jí)跟隨器避免前后級(jí)影岣。具體電路如圖5 所示。

　　本系統(tǒng)放大器增益范圍10～60 dB，通頻帶1～200 kHz，增益誤差小于1％。濾波器截止頻率范圍1～30kHz，誤差小于1．5％。橢圓濾波器截止頻率誤差為0，在150 kHz 處幅度幾乎衰減到0。誤差主要來(lái)源于時(shí)鐘頻率，當(dāng)截止頻率為20 kHz的時(shí)候，所需最高的時(shí)鐘頻率為2MHz，不能保證很好的時(shí)鐘沿，而且時(shí)鐘頻率也不可能精確地控制，以及放大器的非線性誤差。此外，利用DAC0800 和有效值檢波電路實(shí)現(xiàn)了幅頻特性測(cè)試儀，系統(tǒng)整體性能良好。整個(gè)系統(tǒng)在單片機(jī)和FPGA 的有機(jī)結(jié)合、協(xié)同控制下，工作穩(wěn)定，測(cè)量精度高，人機(jī)交互靈活。

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