采用編程數(shù)據(jù)來完成RC網(wǎng)絡(luò)切換的可編程濾器芯片解析方案

在工業(yè)自動(dòng)化的許多領(lǐng)域都要使用濾波器。一般有源濾波器均由運(yùn)算放大器和RC元件組成，對(duì)元器件的參數(shù)精度要求比較高，設(shè)計(jì)和調(diào)試都比較麻煩。美信公司(MAXIM)生產(chǎn)垢可編程濾波器芯片MAX262可以通過編程對(duì)各種低頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻以及全通濾波處理，而且濾波的特性參數(shù)如中心頻率、品質(zhì)因數(shù)等也可以通過編程進(jìn)行設(shè)置。

有源濾波器一般通過改變RC網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來改變頻率特性，采用運(yùn)算放大器和可切換元件參數(shù)的RC網(wǎng)絡(luò)，可以用同一電路組成各種頻率特性的濾波器。美信公司的可編程濾器芯片采用編程數(shù)據(jù)來完成RC網(wǎng)絡(luò)的切換。

1 MAX262芯片介紹

(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MAX262 主要由放大器、積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)(SCN)和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)(SCN)和工作模式選擇器分別由編程數(shù)據(jù)M0M1， F0～F5和Q0～Q6控制。MAX262內(nèi)部有兩個(gè)二級(jí)濾波器，濾波器A和B可以單獨(dú)使用，也可級(jí)聯(lián)成四階濾波器使用。芯片的使用非常靈活，但它們均受同一組編程數(shù)據(jù)的控制。

MAX262芯片的工作頻率為1Hz～140kHz。當(dāng)時(shí)鐘頻率為4MHz，工作模式選擇為模式3時(shí)，芯片可以對(duì)140kHz的輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理。其它工作模式的最高工作頻率為100kHz。濾波器A和B可以采用內(nèi)部時(shí)鐘，也可以采用外部時(shí)鐘。外部時(shí)鐘分別從芯片的引腳CLKA、CLKB引入，對(duì)外部時(shí)鐘無占空比要求。如果要對(duì)更低頻率的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，可采用MAX260芯片，它的工作頻率為0.01Hz～7.5kHz。輸入的低頻信號(hào)可以直接送到MAX260芯片的輸入端(即INA或INB引腳)，輸入信號(hào)的幅度范圍為0V～+5V。

(2)編程參數(shù)

MAX262芯片有三個(gè)編程參數(shù)：中心頻率f0、Q值和工作模式。

中心頻率由編程數(shù)據(jù)F0～F5控制，共64個(gè)不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)鐘頻率fclk與中心頻率f0的比值fclk/f0。在文獻(xiàn)[1]的表2 中給出了MAX262芯片的fclk/f0與編程數(shù)據(jù)F0～F5的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以采用查表的方法獲得編程數(shù)據(jù)。本文采用計(jì)算的方法來形成編程數(shù)據(jù)F0～F5。

Q值由編程數(shù)據(jù)Q0～Q7控制，共128個(gè)不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)同的Q值，最小的Q值為0.5，最大的Q值為64(如果芯片工作在模式2則可達(dá)90.5)。在文獻(xiàn)[1]的表3中給出了編程數(shù)據(jù)Q0～Q7與Q值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

工作模式由編程數(shù)據(jù)M0M1控制，分別對(duì)應(yīng)工作模式1、2、3和4。模式1可以實(shí)現(xiàn)低通、帶通和帶隨濾波;模式2基本與模式1相同，只是該模式可以獲得最高的Q值;模式3是唯一可以實(shí)現(xiàn)高通濾波的模式;而只有模式4才能實(shí)現(xiàn)全通濾波，它和模式3也可以實(shí)現(xiàn)低通和帶通濾波。

編程參數(shù)f0、Q值和工作模式確定以后，只要將相應(yīng)的編程數(shù)據(jù)裝入MAX262芯片內(nèi)部的寄存器，濾波器的類型和頻率特性也就確定了。

2 單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)

MAX262芯片的編程輸入總線比較簡單，它包括2條數(shù)據(jù)線D0D1，4條地址線A0～A3，另外還有一條寫允許控制線WR。單片機(jī)采用內(nèi)部有4KB程序存儲(chǔ)器的89C51。

本系統(tǒng)采用6264芯片擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于74LS138譯碼器使用89C51 P2口的高三位進(jìn)行地址譯碼，則6264的地址范圍為0000H～1FFFH。

74LS138 譯碼器的輸出Y2作為8279芯片的片選信號(hào)CS，其地址范圍為4000H～5FFFH。經(jīng)74LS373鎖存后的地址線A0送到8279的A0地址輸入端，所以選擇5FFFH作為8279的命令口地址，5FFEH作為8279的數(shù)據(jù)口地址。89C51的晶振選用12MHz，其ALE信號(hào)經(jīng)4分頻后，得到頻率為500kHz的信號(hào)送到8279的CLK輸入端和為時(shí)鐘信號(hào)。8279采用中斷方式，占用89C51的外中斷0。8279采用8個(gè)七段LED顯示器，其ALE信號(hào)經(jīng)4分頻后，得到頻率為500kHz的信號(hào)送到8279的CLK輸入端作為時(shí)鐘信號(hào)。8279采用中斷方式，占用89C51的外中斷0。 8279采用8個(gè)七段LED顯示器，其鍵盤按照如下：10個(gè)數(shù)字鍵0～9，1個(gè)小數(shù)點(diǎn)鍵，5個(gè)功能鍵(即用于選擇濾波器的類型，低通、帶通、高通、全通和帶阻濾波)，1個(gè)回車鍵，其17個(gè)按鍵。

89C51的WR 控制信號(hào)和74LS138譯碼器的Y1輸出信號(hào)相與后送到MAX262的WR寫允許控制端，則MAX262的地址范圍為 2000H～3FFFH.MAX262的地址線Ax(即A0～A3)和數(shù)據(jù)線Dx(即D0D1)連接到89C51的P0口低六位，即A0～A3、D0D1 分別連接到P0.0～P0.5。89C51的ALE信號(hào)送到MAX262的CLKA和CLKB引腳作為時(shí)鐘信號(hào)，即MAX262的外部時(shí)鐘頻率為 2MHz，所以程控濾波器能處理的輸入信號(hào)頻率范圍為15kHz～50kHz，通過改變編程數(shù)據(jù)F0～F5實(shí)現(xiàn)64級(jí)中心頻率調(diào)節(jié)。

本系統(tǒng)選用模式1實(shí)現(xiàn)低通、帶通和帶阻濾波，模式3實(shí)現(xiàn)高通濾波，模式4實(shí)現(xiàn)全通濾波。其中，濾波器 A和B的高通、帶阻和全通濾波輸出端分別共用 MAX262的HPA、HPB引腳。需要處理的低頻輸入信號(hào)分別由MAX262的INA和INB引腳輸入，濾波器A和濾波器B的三個(gè)輸出端分別連接到模擬開關(guān)4052的輸入端，然后由4052的輸出端輸出濾波處理后的信號(hào)，即圖1中的OUTA和OUTB兩路輸出信號(hào)。4052的地址A1、A0由89C51 的P1.1、P1.0控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器類型的選擇。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方法

(1)編程數(shù)據(jù)獲得方法

MAX262的地址A0～A3與數(shù)據(jù)D0D1的關(guān)系見表1。由表1可見每個(gè)濾波器的工作模式、中心頻率、Q值所需編程數(shù)據(jù)均需要分8次寫入MAX262的內(nèi)部寄存器才能完成設(shè)置。

表1 MAX262的址A0～A3與數(shù)據(jù)D0D1的關(guān)系

通過文獻(xiàn)[1]給出的fCLK/f0與F0～F5的關(guān)系表格，得到本文根據(jù)fCLK/f0計(jì)算編程數(shù)據(jù)F0～F5的公式，即fCLK/f0與F0～F5的關(guān)系為：

fCLK/f0=40.84+1.57N1 (1)

或，N1為二進(jìn)制數(shù)據(jù)F0～F5對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制整數(shù)，范圍為0～63共64級(jí)。

同樣，對(duì)應(yīng)濾波器的Q值也采用查表的方法，而是通過計(jì)算來獲得Q值的編程數(shù)據(jù)Q0～Q7。Q值與Q0～Q7的關(guān)系為：

Q=64/(128-N2) (3)

或 N2=64(2-1/Q) (4)

其中，N2為二進(jìn)數(shù)據(jù)Q0～Q6對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制整數(shù)，范圍為0～127共128級(jí)。

(2)系統(tǒng)程序流程

本系統(tǒng)的單片機(jī)主程序框圖見圖2。首先進(jìn)行初始化，包括對(duì)8279的初始化，然后從片內(nèi)RAM中讀取新設(shè)置標(biāo)志位進(jìn)行判斷。如果不是則給MAX262芯片送入濾波器所需的初始工作參數(shù);是新設(shè)置則根據(jù)鍵中斷服務(wù)程序獲得的鍵值進(jìn)行處理。

進(jìn)行新設(shè)置時(shí)，首先根據(jù)輸入的鍵值完成對(duì)濾波器的選擇，包括濾波器A和B的設(shè)置選擇以及相應(yīng)濾波器的類型選擇;然后根據(jù)式(4)，由輸入的Q值計(jì)算N2并轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編程數(shù)據(jù)Q0～Q6送片內(nèi)RAM;同時(shí)根據(jù)式(2)，由輸入的中心頻率f0值計(jì)算N1并轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編程數(shù)據(jù)F0～F5送片內(nèi)RAM。在獲得 MAX262的工作參數(shù)后，根據(jù)表1將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為8字節(jié)的編程數(shù)據(jù)，由89C51的P0口送到MAX262。

設(shè)置完成后，MAX262就按照當(dāng)前所要求的中心頻率和Q值對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

最后調(diào)用顯示子程序，在LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前濾波器的工作參數(shù)，即中心頻率和Q值。

本文采用單片機(jī)89C51來完成對(duì)可編程濾波器MAX262的控制，很好地實(shí)現(xiàn)了有源濾波器設(shè)計(jì)工作。而且這種程控濾波器具有使用靈活、調(diào)試容易的特點(diǎn)，一片MAX262就能完成對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行二階濾波的處理。

如果需要四階濾波可以很容易通過濾波器A和B的級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，另外還可以通過對(duì)89C51的ALE信號(hào)進(jìn)行倍頻和分頻實(shí)現(xiàn)AMX262的所有工作頻率范圍。