基于MAX264的程控濾波器
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1．1 濾波器的設計
方案1：傳統(tǒng)分立元件組成的無源濾波器存在諸如帶內不平坦、頻帶范圍窄且恒定、結構復雜等缺點。
方案2：運算放大器構成的有源濾波器設計簡單，但存在截止頻率調節(jié)范圍的局限性，難以實現(xiàn)高精度截止頻率調節(jié)。
方案3：引腳可編程的開關電容濾波器MAX264。該器件內部集成了濾波器所需的電阻、電容，無需外接器件，且其中心頻率、Q值及工作模式都可通過引腳編程設置進行控制。MAX264可工作于帶通、低通、高通、帶陷或是全通模式下，其通帶截止頻率可達140 kHz。
綜上所述，故系統(tǒng)的濾波器設計選用方案3。
1．2 放大器的設計
方案1：采用普通寬帶運算放大器構成放大電路，分立元件構成AGC控制電路，利用包絡檢波反饋至放大器的方法控制放大倍數(shù)。采用場效應管作為AGC控制可實現(xiàn)高頻率和低噪聲，但溫度、電源等漂移將引起分壓比變化，采用這種設計方案難以實現(xiàn)
系統(tǒng)增益的精確控制和穩(wěn)定性。
方案2：采用可編程放大器的思想，將交流輸入信號作為高速D／A轉換器的基準電壓，該D／A轉換器可視為一個程控衰減器。理論上講，只要D／A轉換器的速度夠快、精度夠高就可實現(xiàn)寬范圍的精密增益調節(jié)。但控制的數(shù)字量和最后的增益(dB)不是線性關系而是指數(shù)關系，導致增益調節(jié)不均勻，精度降低。
方案3：采用控制電壓與增益成線性關系的可編程增益放大器PGA實現(xiàn)增益控制。電壓控制增益便于單片機控制，同時可減少噪聲和干擾。采用可變增益放大器AD603作為增益控制。AD603是一款低噪聲、精密控制的可變增益放大器，溫度穩(wěn)定性高，其增益與控制電壓成線性關系，因此便于使用D／A轉換器輸出電壓控制放大器增益。
綜上所述，故系統(tǒng)的放大器設計選用方案3。
2 程控濾波器設計
程控濾波器主要由程控放大器、濾波器和信號采集等模塊組成，如圖1所示。幅頻特性測試儀主要由掃頻源、信號采集、示波器顯示等電路組成。其工作原理：輸入信號經衰減網絡衰減至10 mV，單片機設置放大器和濾波器的參數(shù)，選擇相應的濾波器，單片機和FPGA控制AD9851產生正弦輸出信號，再經濾波、AGC后得到掃頻輸出信號，單片機和FPGA共同控制D／A轉換器輸出幅頻特性曲線在示波器上顯示。
3 理論分析與計算
3．1 程控放大器
AD603的基本增益為：
Gain(dB)：40VG+10 (1)
其中，VG是差分輸入電壓，單位是V，Gain是AD603的基本增益，單位是dB。由式1看出，以dB作單位的對數(shù)增益與電壓成線性關系。由此，單片機通過簡單的線性計算就可控制對數(shù)增益，從而準確實現(xiàn)增益步進。
3．2 程控濾波器
編程設置MAX264的M0、M1引腳使其工作在模式1、2、3、4多種模式下，但只有模式3具有高通濾波功能,因而本系統(tǒng)設計采用模式3實現(xiàn)低通和高通濾波功能。
模式3下的輸入時鐘與中心頻率的關系(以下僅以低通濾波器作為分析，高通濾波器類似)為：
fCLK/f0=π(N+13) (2)
其中，fCLK為輸入時鐘頻率，fo為濾波器中心頻率,N由外部輸入。
fo與截止頻率fc的關系：
其中，Q為濾波器的品質因數(shù)。
因此fCLK與fc具有函數(shù)關系，可通過設置fCLK實現(xiàn)fc的設置。取Q=0．707 fCLK/f=π(N+13)，實現(xiàn)fc的設置。
3．3 橢圓低通濾波器
橢圓函數(shù)濾波器的衰減特性為：
AdB=101g[1+ε2Z2n(Ω)] (4)
其中，ε由波紋確定，Zn(Ω)為n階的橢圓函數(shù)，對于偶數(shù)n階的橢圓函數(shù)，其極點和零點表示為：
其中,m=n／2。所以對于4階的橢圓函數(shù)濾波器,阻帶和通帶內波紋相等，而且阻帶內的陷波點數(shù)為1。因此橢圓濾波器在通帶和阻帶內特性允許起伏,并具有最佳截止特性，但對元件數(shù)值要求特別嚴格。
根據選用RdB=0．5 dB,Amin=70 dB,Ωs=3．91查歸一化圖表得C1=1．226 F，C2=0．043 80 F,L2=1．241 H，C3=1．904 F,L4=0．845 9 H,用Z=510 Ω和頻率標定系數(shù)FSFT=2πfc(fc截止頻率，即50 kHz)對濾波器去歸一化,C′=C／(FSFZ)，L′=LZ／FSF，得出參數(shù)后采用Multisim仿真調整參數(shù)，并且設計相關電路測試得出如下參數(shù)：C1=6．8 nF，C2=39 pF，L2=2．2 mH+220μH=2．42 mH，C3=10 nF，L4=1 mH+620 mH=1．62 mH。其橢圓濾波器電路如圖2所示。
4 硬件電路設計
4．1 程控放大電路
該電路采用兩片AD603級聯(lián)實現(xiàn)可控增益范圍為0 dB～60 dB。AD603單片增益范圍為10 dB~30 dB,輸入控制電壓范圍為0 V～l 1。其中，一級AD603電路圖如圖3所示。由于AD603的輸入阻抗僅100 Ω，要滿足系統(tǒng)電阻要求，必須增加輸入緩沖來提高輸入阻抗。另外由于前級電路影響電路噪聲，須盡量減少噪聲，故采用一級儀表運算放大器AD620構成的放大電路作為前級小信號放大器。
4．2 低通和高通濾波器電路
系統(tǒng)設計采用引腳可編程濾波器MAX264實現(xiàn)低通或高通濾波器，如圖4所示(衰減放大網絡略)。電路設計采用單極性輸入模式，其輸入電壓范圍0 V~5 V，調理電路應將信號調理至其輸入范圍。調理過程：信號首先經過衰減網絡使其峰-峰值為-2．5 V~+2．5 V，再由加法器將信號調節(jié)為0 V～5 V,濾波后，減法器將信號變?yōu)?2．5 V～+2．5 V,放大網絡補償平衡衰減，最后輸出至有效值來轉換電路。
4．3 幅頻特性測試電路
幅頻特性測試電路主要是由DDS AD9851與AGC構成的掃頻源、有效值轉換,以及12-bit ADCMAXl97采樣電路和DAC0800構成的顯示電路組成。
5 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計采用軟件工程設計思想，主要實現(xiàn)人機界面的交互，包括提示信息顯示、系統(tǒng)狀態(tài)選擇、參數(shù)輸入、輸入參數(shù)顯示、系統(tǒng)啟動與復位。軟件設計系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。
6 測試結果
系統(tǒng)設置為放大器電壓增益范圍測試模式，在放大器電壓增益測試端口利用Tektronix TDS1002型數(shù)字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量其輸出幅度，滿足系統(tǒng)要求。
系統(tǒng)分別設定為低通濾波器和高通濾波器測試模式，在放大器電壓增益測試端口以及濾波器輸出端口中利用Tektronix
TDS1002型數(shù)字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量截止頻率處及2倍截止頻率處其輸出幅度，各參數(shù)滿足系統(tǒng)要求。
系統(tǒng)設定為橢圓濾波器測試模式，在濾波器輸入端口和濾波器輸出端口采用數(shù)字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量其通帶內和截止頻率處輸出幅度。
濾波器輸入幅值為1 V時通帶內最大輸出幅值為1．10 V，增益為0．828 dB，滿足帶內起伏≤1 dB的要求。-3 dB截止頻率為52 kHz，滿足-3 dB通帶誤差不大于5%的要求。
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