一種程控濾波器的設計

　　在電路分析中，定值電阻可以認為是一個單端網(wǎng)絡，給一個激勵電壓Un，它就可以輸出一個響應電流I0，而電阻的阻抗定義為R0=U0／I0。對于電流型的D／A轉(zhuǎn)換器也可以這樣認為，如果將D／A轉(zhuǎn)換器的參考電壓看做是激勵電壓輸入，那么輸出電流就可以看做是響應電流了。通過軟件設置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。設計中選取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)可設置的范圍為15．8 Hz～64．5 kHz。本系統(tǒng)設計的范圍頻率范圍為100 Hz～50 kHz，在一定截止頻率范圍內(nèi)，Q值的設定范圍為0．5～5。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件采用模塊化和層次化的設計思想。采用模塊化方法，即是對某一硬件模塊進行控制時，只需調(diào)用相應的控制模塊即可。模塊內(nèi)采用層次化設計，把底層的硬件接口處理編制為獨立底層子程序，并向上提供處理的數(shù)據(jù)，且對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組成，其中主要包括系統(tǒng)的初始化、中斷的響應和中斷的處理。該設計的功能實現(xiàn)以鍵盤的按鍵中斷為主線，通過讀入用戶輸入的鍵值，在相應的中斷響應函數(shù)中以總線的方式與外部硬件電路進行數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)對濾波器截止頻率(中心頻率)以及Q值的設定。系統(tǒng)軟件流程見圖3。

　　4 系統(tǒng)測試

　　該系統(tǒng)利用數(shù)字合成信號源、雙蹤示波器、仿真機、交流電壓表進行了測試。調(diào)節(jié)輸入信號的頻率，并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值，將實際測量值和預置值進行對比和分析。

　　對于低通或者高通濾波器，預置其Q值(品質(zhì)因數(shù))為0．707。測試結(jié)果表明，濾波器截止頻率在100 Hz～50 kHz可調(diào)，實際測量的截止頻率與設置值誤差小于1％。在濾波器的阻帶內(nèi)，達到10倍頻程40 dB衰減的效果，通帶內(nèi)起伏小于0．5 dB。

　　對于帶通或者帶阻濾波器，預置其Q值為5，測試結(jié)果表明，濾波器中心頻率在600 Hz～7．2 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，實際測量的Q值與預置值誤差小于3％。

　　5 結(jié)論

　　設計了一種程控濾波器，這種方案的原理有別于開關(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)絡改變狀態(tài)變量濾波器中用來決定截止頻率和Q值的電阻阻值，從而實現(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)絡的規(guī)模的增加而提高。在大規(guī)模集成電路的設計中，可以把狀態(tài)變量濾波器和倒T形R-2R電阻網(wǎng)絡集成到單個芯片中，這樣能夠大大減少設計成本，具有很好的應用前景。本文僅僅是提出了一個大致的設計思路，還有待在實際運用中進一步完善。