摘要: 通过对程控滤波器的理论分析，在研究MAX262的功能和单片机的SPI总线通信的基础上，提出了基于MAX262的程控滤波器设计方案，设计了程控滤波器的软硬件，并给出了测试结果。
关键词: 单片机; AD603; MAX262; 程控滤波器; SPI总线
Abstract: By analyzing the programmable filter,the paper puts forward a programmable filter system design based on MAS262 on basic of studying MAS262 features and SPI bus communication.Software and hardware of the programmmable filter are designed,and the test result is given.
Keywords: SCM; AD603; MAX262; programmable filter;  SPI bus

1 引言

MAX262为双二阶开关电容有源滤波器，可通过单片机SPI总线精确控制滤波器的传递函数。独立编程设置其中心频率和品质因数来实现智能控制。并且可通过附带的滤波器设计软件任意改善滤波特性。

该系统设计是由放大器、滤波器、幅频特性测试模块、椭圆滤波器和控制模块等部分构成，采用AD603与MAX262相结合，实现任意增益设置以及满足高、低、带通滤波参数的要求。

2 系统设计方案

该系统方案如图1所示，以低噪声、精密控制的可变增益放大器AD603为核心设计程控增益放大器。其最大增益误差为0.5 dB，满足高精度要求，其增益(dB)与控制电压(V)成线性关系，因此可使用单片机控制D／A输出电压改变放大器增益，同时减少噪声和干扰。以MAX262为核心的程控滤波器通过单片机SPI总线精确控制滤波器的传递函数，对中心频率和品质因数独立编程设置，实现64级中心频率、128级品质因数的智能控制。点阵式LCD构建友好的菜单界面并显示自定义提示和复杂的图形数据。

实验增加了幅频特性测试仪，其信号发生部分采用Altera公司的FPGA EP1C6T144C8，利用DDFS技术产生频率范围为100 Hz～200 kHz的扫频信号，频率步进可精确到1 kHz内。信号送人被测网络，输出通过AD637得到信号的真有效值，采用A／D进行采集并发送回单片机进行处理，在液晶显示屏上可画出系统的幅频特性图。

3 理论分析与计算

3.1 程控放大模块

该系统设计采用两片AD603顺序连接，两极间以电容耦合。由于一片AD603在已定制的模式下增益为-10 dB～30 dB，带宽为90 MHz，故级联方式可使增益达到-20 dB～60 dB，控制电压为0 V～2 V。该控制电压由单片机控制8位A／D转换器ADC0832产生，其精度可达2 V／256=0.007 812 5 V，增益精度可达0.312 5 dB。因此，完全可满足系统发挥部分中增益60 dB，步进10 dB的要求。

3.2 MAX262模块

采用MAX262双滤波器级联构成四阶程控滤波器，输入脉冲是由单片机的ALE通过十六进制计数器进行十六分频所提供的。MAX262的低通滤波传递函数为：

3.3 幅频特性测试模块

FPGA由DDS原理产生扫频信号，其内置双口RAM频率字位宽32 bit系统时钟fCLK为166 MHz，因此，频率分辨率f=fCLK／232=0.038 64 Hz，其带宽为166 MHz。真有效值转换器AD637的转换公式为Vrms=Avg[VIN／Vrms]，读取输出信号的有效值。

4 系统设计

4.1 硬件设计

4.1.1 增益控制

增益控制的核心电路由可变增益运算放大器AD603和精密运算放大器ADOP37组成。其中以AD603为核心，辅以外围电路实现程控放大器，其增益与控制电压成线性，单片机控制D／A输出控制放大增益。其电路原理图如图2所示。

4.1.2 程控滤波

程控滤波主要是由MAX262通过程控实现。MAX262通过单片机SPI总线对滤波器参数编程实现程控滤波器，其中心频率和品质因数分别为64级、128级编程可调，其电路原理如图3所示。

4.2 软件设计

该系统设计的软件设计流程如图4所示，在选择滤波器种类后等待输入放大增益参数，计算参数对应的D／A输出数值，向D／A发送数据，并锁存。等待接收滤波器的参数，通过计算，对MAX262编程，并控制数据选择器选择输出MAX262的低高通引脚信号。等待接收键盘信息，如果是左右方向键，则改变滤波器截止频率；如果是上下方向键，则改变放大增益。当选择幅频特性测试仪时，通过ADC采样真有效值转换器AD637的输出，通过计算采样结果，得出幅频特性，并在液晶上显示。

5 测试结果

5.1 功能测试

将输入信号和放大器输出信号分别接入双踪示波器，调整合适的电压幅度，观察两波形区别。放大器输出电压在1 dB～10 dB范围内无明显失真。

使用EDA系统板的FPGA和DAC产生扫频正弦波频率范围50 Hz～220 kHz，步进10 kHz，输出端分别接到数字示波器和幅频特性测试仪的输入端。将数字示波器的FFT功能与幅频特性测试仪得到的幅频特性结果相比较，测试的幅频特性测试仪精确性较高。

5.2 参数测试

波形发生器产生10 mV的正弦波，同时接人双踪示波器的CH1踪和放大器输入端，将放大器输出端接入示波器的CH2踪。通过测试数据可知增益误差<5％。而低通滤波器-3 dB截止频率与理论值的误差<4.8％。对于高通滤波器而言，使用数字示波器测量的输出端峰峰值是输入端的0.707倍，其发生器的频率为51.31 kHz。

6 结束语

基于MAX262的程控滤波器完全达到电压增益10 dB步进可控，最大增益40 dB；滤波器模式可选，截止频率1 kHz可调，设置显示参数功能等要求，其最大增益可达60 dB，扩展了简易幅频特性测试仪。
参考文献
[1]Meyer-Baese U. 数字信号处理的FPGA实现[M].刘凌，译.北京:清华大学出版社，2006.
[2]Alen V. Oppenheim. Signals & Systems[M].西安:西安交通大学出版社，2006.
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