解讀FPGA設計程控濾波器系統(tǒng)電路

　　以單片機和可編程邏輯器件（FPGA）為控制核心，設計了一個程控濾波器，實現(xiàn)了小信號程控放大、程控調(diào)整濾波器截止頻率和幅頻特性測試的功能。其中放大模塊由可變增益放大器AD603 實現(xiàn)，最大增益60dB，10dB 步進可調(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成，濾波模式用模擬開關選擇。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 實現(xiàn)了對掃頻信號幅度的測量。

　　濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，可用于對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除。它在電子領域中占有很重要的地位，在信號處理、抗干擾處理、電力系統(tǒng)、抗混疊處理中都得到了廣泛的應用。而對于程控濾波器，該系統(tǒng)的最大特點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)，相當于一個集多功能于一體的濾波器，將有更好的應用前景。此外，系統(tǒng)具有幅頻特性測試的功能，并通過示波器顯示頻譜特性，可直觀地反應濾波效果。

　　放大模塊

　　放大模塊的具體電路如圖2 所示。第一部分是一個分壓網(wǎng)絡，其中前4 個電阻將輸入信號衰減100 倍，并與信號源內(nèi)阻共同構成51Ω阻抗，后面的51Ω為匹配電阻。第二部分采用OPA690 將小信號放大2 倍，同時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100 Ω的電阻進行匹配。第三部分即為AD603 可變增益放大，它的增益隨著控制電壓的增大以dB為單位線性增長。1 腳的參考電壓通過單片機進行運算并控制DAC 芯片輸出電壓來得到，從而實現(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， 接不同反饋網(wǎng)絡時也不同。在5、7 腳間接一個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，當其用于高通濾波時，截止頻率范圍1Hz～50 kHz，并且直至截止頻率的200 倍都無混疊現(xiàn)象。由于LTC1068 的4 個通道都是低噪聲、高精度、高性能的2 階濾波器，因此每個通道只要外接若干電阻就可以實現(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，否則信號在截止頻率處幅值會有上翹。

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

　　低通濾波模塊

　　用MAX297 實現(xiàn)低通濾波器。開關電容濾波器MAX297 可以設置為8 階低通橢圓濾波器，阻帶衰減為-80dB，時鐘頻率與通帶頻率之比為50：1。通過改變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1 kHz的要求。

　　在使用MAX297 時要注意的是，當信號頻率和采樣辨率同頻，開關電容組在電容上各次采到相同的幅度為信號幅值的信號，相當于輸入信號為直流的情況，使濾波器輸出一個直流電平。同理，當信號頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時，也會出現(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有效地排除。故又用一級MAX297，截止頻率設置為50kHz。其中時鐘頻率設置為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，采用無源LC 橢圓低通濾波器來實現(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)使其為標稱值。此外，在橢圓濾波器前后接射級跟隨器避免前后級影岣。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。誤差主要來源于時鐘頻率，當截止頻率為20 kHz的時候，所需最高的時鐘頻率為2MHz，不能保證很好的時鐘沿，而且時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現(xiàn)了幅頻特性測試儀，系統(tǒng)整體性能良好。整個系統(tǒng)在單片機和FPGA 的有機結合、協(xié)同控制下，工作穩(wěn)定，測量精度高，人機交互靈活。

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