1、程控濾波器原理、作用、特點(diǎn)

程控濾波器是指通過輸入一定的控制信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波器電路參數(shù)以實(shí)現(xiàn)濾波的一種濾波器。它在電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電視等領(lǐng)域。

1.程控濾波器原理

程控濾波器是通過輸入控制電壓或控制電流，調(diào)整其內(nèi)部電路元件(如電阻、電容、電感等)參數(shù)以改變其頻率響應(yīng)的。

2.程控濾波器的作用

程控濾波器主要用于在特定頻率范圍內(nèi)消除或衰減信號(hào)中的噪聲或干擾，從而提高信號(hào)質(zhì)量。例如在通信中使用程控濾波器可以消除不同的頻率干擾信號(hào)，同時(shí)保留需要的通信信號(hào)。

3.程控濾波器有什么特點(diǎn)

程控濾波器具有以下特點(diǎn)：

調(diào)節(jié)方便：通過改變控制信號(hào)即可調(diào)整濾波器參數(shù)，省去了人工調(diào)整的繁瑣過程。

高精度：由于采用先進(jìn)的控制技術(shù)，其濾波器參數(shù)調(diào)節(jié)精度較高，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜頻率響應(yīng)曲線的設(shè)計(jì)。

小型化：程控濾波器采用了微型化電路元件，使其體積和重量大大減小，具有較強(qiáng)的集成度。

2、可調(diào)增益程控濾波器的設(shè)計(jì)

在信號(hào)處理過程中，輸入信號(hào)通常是夾雜噪聲和干擾的微弱信號(hào)，而且信號(hào)強(qiáng)度、噪聲和干擾的頻率也是變化的，為了得到高信噪比的輸出信號(hào)，就要求信號(hào)處理電路具有放大和濾波功能，且能夠按照輸入信號(hào)強(qiáng)度的不同，干擾、噪聲頻率的不同而改變信號(hào)處理電路的放大倍數(shù)和濾波器設(shè)置，可調(diào)增益程控濾波器就是為了適應(yīng)這種要求而設(shè)計(jì)出來的一款信號(hào)處理電路。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于信號(hào)處理系統(tǒng)的輸入信號(hào)是含有噪聲干擾的微弱信號(hào)，因此首先該系統(tǒng)應(yīng)該能對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大，然后再濾波，濾除干擾和噪聲;其次，該系統(tǒng)還應(yīng)該能根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的大小和噪聲干擾頻率的不同，通過鍵盤重新設(shè)置系統(tǒng)的增益和濾波器的頻率等，并且將當(dāng)前的設(shè)定值顯示出來。根據(jù)以上要求，該系統(tǒng)由三部分組成，即程控放大部分、程控濾波部分和鍵盤、顯示部分。整個(gè)系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為控制器，將這三部分連接起來構(gòu)成一個(gè)可調(diào)增益程控濾波的信號(hào)處理電路，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)鍵盤輸入，并根據(jù)鍵盤輸入來控制程控放大部分的放大倍數(shù)和程控濾波部分濾波器的頻率，并將鍵盤輸入的給定值通過顯示部分顯示出來。

2 程控放大部分設(shè)計(jì)

該部分的功能主要是按照給定的增益對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，也就是說放大倍數(shù)是由程序控制可調(diào)的，為了完成這樣的功能，在這里選用運(yùn)算放大器AD826和10位D/A轉(zhuǎn)換器AD7520的內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)程控可調(diào)增益的放大電路。AD826具有50 MHz的增益帶寬積和較高輸出驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)于普通信號(hào)的放大完全可以滿足。AD7520內(nèi)部集成了10個(gè)模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)，而且這10個(gè)模擬開關(guān)是可編程控制的，根據(jù)這樣的特點(diǎn)，用AD7520內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)與AD826共同組成程控增益部分電路。

(a)為AD7520內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)，圖2(b)為AD7520與AD826的硬件連接圖，由圖2可以得出放大電路輸入與輸出之間的關(guān)系式如式(1)。其中A1到A10的取值由模擬開關(guān)S1～S10的控制位BIT N(N從1到10)決定，當(dāng)BIT N為“1”時(shí)，即開關(guān)打向與Iout1連接，則AN為1，反之AN為0。

式(1)表明，放大倍數(shù)可以從1～1 024之間任意調(diào)整，只要改變BIT1～BIT10相應(yīng)位的邏輯狀態(tài)就可以控制改變放大倍數(shù)。如：當(dāng)BIT1～BIT10為3FFH時(shí)，由式(1)可計(jì)算出放大倍數(shù)是1倍，也就是0 dB;當(dāng)為98H時(shí)放大倍數(shù)是10倍，也就是20 dB。要做到程控增益，只需要將單片機(jī)的I/O口P1.0～P1.7，P2.0～P2.1與AD7520的管腳BIT0～BIT9依次連接，通過程序控制單片機(jī)I/O口的輸出狀態(tài)即可完成程控增益的目的。

3 程控濾波部分設(shè)計(jì)

程控濾波部分采用可編程控制的濾波器芯片MAX261來實(shí)現(xiàn)。MAX261是CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，它無需外圍元件即可構(gòu)成多種低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，最大工作頻率范圍從0.4 Hz～57 kHz，其原理圖如圖3所示。用MAX261設(shè)計(jì)濾波器時(shí)主要是設(shè)計(jì)5個(gè)參數(shù)，時(shí)鐘頻率fCLK;中心頻率f0，以及對(duì)應(yīng)的編程系數(shù)Nf;品質(zhì)因數(shù)Q，以及對(duì)應(yīng)的編程系數(shù)Nq。其中fCLK由外部晶振頻率決定。這5個(gè)參數(shù)之間是有相互關(guān)系的，計(jì)算起來很復(fù)雜，為了提高設(shè)計(jì)效率可用MAXIM公司為MAX261濾波器提供的專用設(shè)計(jì)軟件來計(jì)算。在計(jì)算f0和Q時(shí)應(yīng)選擇不同的工作模式。

MAX261有五種工作模式，分別為：

模式1：可以構(gòu)成-巴特沃思、切貝雪夫、貝塞爾濾波器實(shí)現(xiàn)全極點(diǎn)低通和帶通濾波器。

模式2：用來構(gòu)成全極點(diǎn)低通和帶通濾波器，和模式1相比，優(yōu)點(diǎn)在于能夠獲得更高的Q值和低噪聲輸出。

模式3：能構(gòu)成高通濾波器，其最大輸入時(shí)鐘頻率小于模式1中采用的頻率。

模式3A：通過運(yùn)用片內(nèi)自由運(yùn)放把模式3中高通與低通輸出相加構(gòu)成獨(dú)立的帶阻。

模式4：可提供全通輸出，也可用來提供全極點(diǎn)低通和帶通濾波器。

在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模式。

對(duì)MAX261編程，主要是將編程系數(shù)Nf和Nq寫入濾波器A和B的存儲(chǔ)器中。MAX261的硬件原理圖如圖3(b)所示，用單片機(jī)的I/O口P0.0～P0.3控制四位地址線，用P0.4和P0.5控制數(shù)據(jù)線，P0.6為寫控制位WR。由于Nf是六位的二進(jìn)制數(shù)：F0～F5，Nq是七位的二進(jìn)制數(shù)：Q0～F6，而數(shù)據(jù)位只有兩位，所以對(duì)MAX261編程時(shí)應(yīng)按照表1所示的地址數(shù)據(jù)格式寫入。

對(duì)MAX261寫數(shù)據(jù)時(shí)，地址、數(shù)據(jù)和寫控制位的時(shí)序按照?qǐng)D4所示時(shí)序操作。地址信號(hào)在寫控制位低電平時(shí)有效，數(shù)據(jù)將在WR上升沿時(shí)被寫入由地址確定的存儲(chǔ)單元中。編程時(shí)先讓P0口將地址、數(shù)據(jù)和WR同時(shí)送出，如P0=80H表示W(wǎng)R為低電平，準(zhǔn)備將工作模式1的控制字寫入濾波器A，接著讓P0.6=1，即WR由低跳高，模式1控制字就被寫入存儲(chǔ)單元。

4 鍵盤和顯示部分設(shè)計(jì)

鍵盤用3個(gè)按鍵K1，K2，K3即可完成。K1選擇程控對(duì)象，即選擇當(dāng)前是對(duì)程控放大部分編程還是對(duì)程控濾波部分編程，當(dāng)K1選定后，K2，K3定義為加、減選擇，用來調(diào)整放大部分的增益或改變?yōu)V波部分的中心頻率。顯示部分用已封裝好的LCD顯示模塊，不需要另行設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)將3個(gè)器件AD7520，AD826，MAX261有效地結(jié)合起來，以單片機(jī)為控制器來控制放大增益和濾波頻率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸人小信號(hào)的前級(jí)放大，后級(jí)濾波，消除噪聲干擾，最終輸出一個(gè)真實(shí)有效測(cè)量信號(hào)，可完成對(duì)測(cè)量信號(hào)的處理功能。

3、程控濾波器概述_核心部分_系統(tǒng)測(cè)試

程控濾波器濾波器輸入端采用同相放大電路進(jìn)行阻抗匹配，使輸入電阻達(dá)到兆歐數(shù)量級(jí)。該系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：人機(jī)交互模塊、雙二階環(huán)路濾波模塊、可變電阻模塊。

雙二階環(huán)濾波器電路的截止頻率與Q值由其中某些電阻、電容值決定，且兩參數(shù)相互獨(dú)立。R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)、電流輸出型DAC可等效為阻值僅受輸入數(shù)據(jù)控制的電阻。通過由單片機(jī)控制的DAC作為等效電阻來控制濾波器的截止頻率和Q值，可實(shí)現(xiàn)濾波器參數(shù)精確程控，且濾波器參數(shù)調(diào)節(jié)的精度隨著DAC位數(shù)的增加而增大。該方案可由同一電路產(chǎn)生高通、低通、帶通、帶阻濾波器，節(jié)約了硬件資源，從而有效地降低設(shè)計(jì)成本。

概述　　測(cè)量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號(hào)中，往往包含有噪聲和許多與被測(cè)量無關(guān)的信號(hào)，并且原始的測(cè)量信號(hào)經(jīng)傳輸、放大、變換、運(yùn)算及各種其他的處理過程，也會(huì)混入各種不同形式的噪聲，從而影響測(cè)量精度。這些噪聲一般隨機(jī)性強(qiáng)，很難從時(shí)域中直接分離，但限于其產(chǎn)生的機(jī)理，其噪聲功率是有限的，并按一定的規(guī)律分布于頻域某一特定的頻帶中。信號(hào)分離電路一般采用濾波器實(shí)現(xiàn)噪聲的抑制，提取所需的測(cè)量信號(hào)。但是系統(tǒng)中采用的濾波器的形式和截止頻率往往是固定的，很難做到可調(diào)，這就給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來一定的不便。然而，開關(guān)電容濾波器的使用可以很好地解決這一問題，但是開關(guān)電容濾波器的價(jià)格較高，會(huì)提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本.

核心部分　　本系統(tǒng)的核心部分為雙二階環(huán)路濾波器，雙二階環(huán)路濾波器利用兩個(gè)以上由加法器、積分器等組成的運(yùn)算放大電路，根據(jù)所要求的傳遞函數(shù)，引入適當(dāng)?shù)姆答仒?gòu)成濾波電路。其突出的特點(diǎn)是電路靈敏度低，因而特性穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)多種濾波功能，經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)還可以減少運(yùn)算放大器的數(shù)目。本系統(tǒng)采用了TI公司的四通道運(yùn)放OPA404，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙二階環(huán)濾波電路。OPA404是一款四路高速精密運(yùn)算放大器，其帶寬可達(dá)* MHz，電壓擺率可達(dá)35 V/s，可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，電路原理圖如圖2所示。

系統(tǒng)測(cè)試　　該系統(tǒng)利用數(shù)字合成信號(hào)源、雙蹤示波器、仿真機(jī)、交流電壓表進(jìn)行了測(cè)試。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的頻率，并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值，將實(shí)際測(cè)量值和預(yù)置值進(jìn)行對(duì)比和分析。

對(duì)于低通或者高通濾波器，預(yù)置其Q值(品質(zhì)因數(shù))為0.707。測(cè)試結(jié)果表明，濾波器截止頻率在100 Hz～50 kHz可調(diào)，實(shí)際測(cè)量的截止頻率與設(shè)置值誤差小于1%。在濾波器的阻帶內(nèi)，達(dá)到10倍頻程40 dB衰減的效果，通帶內(nèi)起伏小于0.5 dB。

對(duì)于帶通或者帶阻濾波器，預(yù)置其Q值為5，測(cè)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(shí)際測(cè)量的Q值與預(yù)置值誤差小于3%。

軟件設(shè)計(jì)　　系統(tǒng)軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思想。采用模塊化方法，即是對(duì)某一硬件模塊進(jìn)行控制時(shí)，只需調(diào)用相應(yīng)的控制模塊即可。模塊內(nèi)采用層次化設(shè)計(jì)，把底層的硬件接口處理編制為獨(dú)立底層子程序，并向上提供處理的數(shù)據(jù)，且對(duì)上層功能模塊屏蔽底層硬件接口部分。，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(jī)組成，其中主要包括系統(tǒng)的初始化、中斷的響應(yīng)和中斷的處理。該設(shè)計(jì)的功能實(shí)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(yīng)的中斷響應(yīng)函數(shù)中以總線的方式與外部硬件電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器截止頻率(中心頻率)以及Q值的設(shè)定。

4、基于MAX262的程控濾波器的研制

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)及相關(guān)電子技術(shù)飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。利用單片機(jī)和濾波芯片實(shí)現(xiàn)高性能的程控濾波器，對(duì)寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)進(jìn)行濾波，在工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由單片機(jī)、放大電路、濾波器、鍵盤和液晶顯示電路組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用AT89S52作為控制核心，配備鍵盤和液晶顯示電路。

AT89S52是Atmel公司新推出的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，它具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位 I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。其性能完全可以滿足系統(tǒng)的要求。

鍵盤用于設(shè)定濾波器的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)。

液晶顯示采用OCMJ4X8A液晶顯示屏，它內(nèi)帶漢字字庫，可以方便地顯示漢字及圖形;可以同時(shí)顯示4行8列個(gè)單元，可以一次顯示系統(tǒng)所有狀態(tài)信息;顯示的內(nèi)容不需要刷新，節(jié)省了單片機(jī)的資源;電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于控制，功耗低。

1.2 放大電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用兩片AD603順序連接，兩極間以電容耦合。由于一片AD603在已定制的模式下增益為-10～30dB，帶寬為90MHz，故級(jí)聯(lián)方式可使增益達(dá)到-20～60dB，控制電壓為0～2V。該控制電壓由單片機(jī)控制8位A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0832產(chǎn)生，其精度可達(dá)2V/256=0.0078125V，增益精度可達(dá)0.3125dB。因此，可以系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增益60dB，步進(jìn)10dB。

1.3 濾波器的設(shè)計(jì)

程控濾波電路采用可編程濾波芯片MAX262。MAX262是CMOS型雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器。兩個(gè)二階濾波器A和B分別有兩個(gè)開關(guān)電容濾波網(wǎng)絡(luò)(SCN)，并且相互獨(dú)立，既可以單獨(dú)使用，也可以級(jí)聯(lián)，方便地實(shí)現(xiàn)四階濾波。兩個(gè)濾波器的時(shí)鐘輸入CLKA和CLKB可以由晶振、電容結(jié)合內(nèi)部時(shí)鐘電路產(chǎn)生，或者直接由外部時(shí)鐘輸入。它們?cè)试S輸入信號(hào)的頻率范圍依賴于CLK。每一個(gè)濾波器的中心頻率(或截止頻率)f0、品質(zhì)因數(shù)Q，以及濾波模式都可由2位輸入的編程數(shù)據(jù)結(jié)合4位的地址輸入進(jìn)行精確設(shè)定。

系統(tǒng)的低通、高通范圍截止頻率在1～40kHz，根據(jù)中心頻率的計(jì)算公式(式(1))，

中心頻率將在500Hz～30kHz。系統(tǒng)在低通2Fc處，放大器與濾波器的總增益不大于30dB，相當(dāng)于當(dāng)放大器增益為40dB時(shí)2Fc處的濾波器增益應(yīng)不大于10dB。對(duì)于MAX262，單片機(jī)要對(duì)其輸入Q值和中心頻率截止頻率選1kHz時(shí)中心頻率為500Hz，通過查表，此時(shí)Q至最小為0.5，按照幅頻特性公式(式(2))，

2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于MAX262實(shí)現(xiàn)濾波控制，由于MAX262芯片對(duì)信號(hào)中心頻率和品質(zhì)因數(shù)有相應(yīng)的計(jì)算公式并且可以通過查表獲得，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)低頻和高頻截止頻率的要求，可以方便地由查表算出所要求的F值和Q值，由單片機(jī)寫入MAX262。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試儀器與方法

測(cè)試儀器有My-62型萬用表、Xj4452數(shù)字存儲(chǔ)示波器和Sg1651a信號(hào)發(fā)生器。

測(cè)試方法：用萬用表與示波器對(duì)由函數(shù)發(fā)生器發(fā)生的信號(hào)與系統(tǒng)輸出的信號(hào)及理論值三者進(jìn)行比較分析，以測(cè)試系統(tǒng)的綜合性能。

3.2 測(cè)試結(jié)果

放大器的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

濾波器的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)充分發(fā)揮了AT89S52單片機(jī)強(qiáng)大的控制能力和數(shù)據(jù)處理能力，通過AD603精密放大器和MAX262濾波器，實(shí)現(xiàn)了程控高通和低通濾波器的功能。系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中收到了滿意的效果。

5、一種新型程控濾波器的設(shè)計(jì)

1 引言

在許多工程應(yīng)用領(lǐng)域中信號(hào)頻率的動(dòng)態(tài)范圍很寬。某些微機(jī)自動(dòng)測(cè)試中頻率在0.1~1 000 Hz之間變化;在旋轉(zhuǎn)機(jī)械大型水輪機(jī)組的機(jī)械故障診斷和炮口沖擊波壓力場(chǎng)測(cè)試以及其他信號(hào)采集測(cè)量場(chǎng)合其信號(hào)頻率在幾赫茲到幾千赫茲之間。因此有必要采用截止頻率可以程控的濾波器對(duì)頻率動(dòng)態(tài)范圍較寬的信號(hào)進(jìn)行濾波。

MAX263是CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，由微處理器精確控制濾波函數(shù)構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波和全通配置，且無需外部元件。MAX262含有2個(gè)二階濾波器，在程序控制下可設(shè)置中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和濾波器的工作方式。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括數(shù)字和模擬兩大部分。其中，數(shù)字部分包括單片機(jī)及FPGA中的放大器增益控制、時(shí)鐘頻率生成以及頻率特性測(cè)量與顯示3個(gè)模塊;而模擬部分包括放大器、濾波器和幅頻特性測(cè)試儀3個(gè)模塊。其中放大器模塊通過三級(jí)放大實(shí)現(xiàn)0～60 dB的增益調(diào)節(jié)，濾波器模塊包括由集成濾波器MAX263構(gòu)成的低通和高通濾波器以及自行設(shè)計(jì)的橢圓濾波器，而幅頻特性測(cè)試儀模塊則由DDS掃頻信號(hào)源、有效值檢波及A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。

3 理論分析與計(jì)算

3.1 可變?cè)鲆娣糯笃骺刂菩盘?hào)

選用ADI公司的AD603作為可變?cè)鲆娣糯笃?，該器件的增益與控制電壓的關(guān)系：GAIN(dB)=40Vg+10，Vg為控制電壓，改變范圍為1 V。選用16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX542，用于給出雙極性的控制電壓，基準(zhǔn)源取2.5 V，理論上增益步進(jìn)的最小值為0.003 dB。

3.2 開關(guān)電容濾波器

3.2.1 確定濾波器Q值

采用MAXIM公司的集成開關(guān)電容濾波器MAX263，它可以通過外接引腳編程設(shè)置濾波器的Q值。Q值與帶內(nèi)最大增益G(V/V)之間的關(guān)系為C=Q/[1一(1/4Q2)]1/2，為使帶內(nèi)盡量平坦，則使G=1，代入公式可得p=0.707，故可將濾波器的Q值設(shè)置在O.707左右。

3.2.2 頻譜混疊現(xiàn)象

由于時(shí)鐘信號(hào)的存在，開關(guān)電容濾波器相當(dāng)于一個(gè)采樣系統(tǒng)，滿足奈奎斯特采樣定理。由于MAX263內(nèi)部對(duì)時(shí)鐘信號(hào)elk二分頻，故clk/4附近及以上的信號(hào)都存在頻譜混疊現(xiàn)象，從而使輸出波形產(chǎn)生失真。為了解決這個(gè)問題，需要加大clk與截止頻率的比值，使輸入信號(hào)的頻段遠(yuǎn)離時(shí)鐘信號(hào)所在頻段。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 放大器電路

放大器電路分為三級(jí)。第一級(jí)采用低噪聲運(yùn)放進(jìn)行固定增益放大，以提高輸入信號(hào)的信噪比;中間級(jí)采用可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603，動(dòng)態(tài)增益范圍為30 dB;后級(jí)為兩檔程控放大，增益之差為30 dB，實(shí)現(xiàn)0~60 dB的增益范圍。其電路如圖2所示。

4.2 四階橢圓低通濾波電路

該電路為LC無源電路，如圖3所示。根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)中的歸一化設(shè)計(jì)表格，查表得到所需要的電容電感值。實(shí)際測(cè)試結(jié)果為：帶內(nèi)擺幅小于0.5 dB，截止頻率50 kHz左右。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分遵循結(jié)構(gòu)化和層次化的設(shè)計(jì)原則，由主程序及若干子程序構(gòu)成。子程序主要完成放大器增益設(shè)置、濾波器參數(shù)設(shè)置、幅頻特性測(cè)試及人機(jī)交互等功能，主程序則通過調(diào)用子程序控制時(shí)序。該程序以按鍵中斷為主線，以各項(xiàng)功能作為分支。

6 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)需要測(cè)試的數(shù)據(jù)主要是放大器的電壓增益和濾波器一3 dB的截止頻率。測(cè)試放大器增益時(shí)，利用毫伏表測(cè)出放大器輸入及輸出信號(hào)的有效值，將算出的增益與程序預(yù)置值相比較;測(cè)試濾波器截止頻率時(shí)，改變輸入信號(hào)的頻率，同時(shí)利用毫伏表測(cè)出濾波器輸出及輸入信號(hào)的有效值，直到兩者之比為一3 dB時(shí)記錄頻率值，然后再與預(yù)置值相比較。對(duì)放大器增益的測(cè)試。取選100 Hz，1 kHz，40 kHz 3個(gè)頻率點(diǎn)來測(cè)試放大器增益，將預(yù)置增益和實(shí)際增益相比較。其中100Hz和1 kHz處的增益誤差小于l%，40 kHz處的增益誤差小于2%。

對(duì)截止頻率的測(cè)試。在給出的10組預(yù)置值中，將實(shí)測(cè)值與預(yù)置值進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果表明，低通模式下截止頻率的誤差小于2.2%，高通模式下截止頻率的誤差小于2.5%。

7 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的基本功能和指標(biāo)，并且擴(kuò)展了在示波器上顯示幅頻特性曲線的功能，同時(shí)擴(kuò)大了截止頻率調(diào)節(jié)范圍，縮小了步進(jìn)量。當(dāng)然，本系統(tǒng)還存在某些不足，其中，高通濾波器輸出波形在某些頻率點(diǎn)有較明顯失真;放大器輸出波形在幅值較小時(shí)信噪比較低。