基于FPGA和Quartus II的程控濾波器測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

圖4給出程控濾波器的連接電路圖，由四片LF356和一片TLC7528組成，其中LF356的增益帶寬積為5MHz,系統(tǒng)中的最高頻率為50KHz,故增益帶寬積選用LF356能滿足要求。

TLC7528是電流型雙數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)字電源采用5V供電，在電路中其等效為可變電阻。

3.3 軟件流程圖

軟件系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

本設(shè)計(jì)的控制MCU采用Altera的NiosII軟核實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)和編譯、調(diào)試在Nios II IDE集成開發(fā)環(huán)境中完成。

軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能有：高低通濾波器與幅頻特性測(cè)試功能的切換、前級(jí)放大增益的控制、濾波器截止頻率的更改，還要控制掃頻信號(hào)輸出、信號(hào)有效值回采和幅頻特性曲線的繪制。

本系統(tǒng)的功能切換并不復(fù)雜，需要控制的變量也不是很多，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化和自頂向下的設(shè)計(jì)方式，軟件系統(tǒng)中主要分成按鍵(輸入)模塊、LCD(顯示)模塊、數(shù)值發(fā)送模塊、界面顯示更新模塊、輸入處理模塊等。每一個(gè)模塊是否執(zhí)行是通過標(biāo)志位來確定的，主程序通過死循環(huán)檢測(cè)每一個(gè)標(biāo)志位的狀態(tài)，來確定應(yīng)該進(jìn)入哪一個(gè)模塊并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

4.測(cè)試結(jié)果

固化程序后，用函數(shù)發(fā)生器和TDS1002B數(shù)字示波器來測(cè)試各指標(biāo)，并分別記錄其測(cè)量數(shù)據(jù)。用函數(shù)發(fā)生器輸入頻率為1KHz,峰-峰值為20mV的正弦波，記錄程控放大器輸出端的測(cè)試值如表1所示。

測(cè)量程控濾波器低通、高通特性，采用40dB的程控放大器增益，濾波器輸出接負(fù)載1KΩ，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

此外，設(shè)計(jì)的幅頻特性測(cè)試儀可測(cè)量程控濾波器的高通、低通特性曲線，并在液晶上打點(diǎn)繪制曲線。

橢圓濾波器測(cè)量時(shí)，輸入信號(hào)峰-峰值為5V,通帶內(nèi)最大峰-峰值為5.12V,在室溫較高時(shí)測(cè)得截止頻率為52.03KHz,室溫較低時(shí)測(cè)得截止頻率為49.2KHz.由此可見，該設(shè)計(jì)受溫度影響較大，初步分析為電容的溫度系數(shù)太大造成的。

5.結(jié)論

本文提出了基于FPGA和Quartus II的程控濾波器測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案以Altera公司的FPGA和Nois II為核心，采用運(yùn)算放大器和模擬開關(guān)作為前級(jí)小信號(hào)放大器，以電流型DAC TLC7528等效為可變電阻，通過模擬電路構(gòu)建傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)可編程濾波，并通過FPGA查找表的方法數(shù)字合成正弦波通過DAC輸出。然后，通過合成信號(hào)對(duì)程控濾波器進(jìn)行掃頻測(cè)試，并在實(shí)際焊接電路中實(shí)現(xiàn)，測(cè)試該可編程濾波器，前級(jí)的小信號(hào)增益可達(dá)1000倍，10dB步進(jìn)。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建可用于工程中信號(hào)的放大，濾波和檢波處理，而實(shí)現(xiàn)了智能化的控制。