一種實用型程控濾波系統的設計

摘 要：提出了一種程控濾波系統的設計方法，利用單片機對測量放大器的放大部分和濾波器的截止頻率進行智能化設計，信號發生器產生輸入信號，鍵盤輸入要設置的參數，觀察輸出波形并測量數據。在信號頻率動態范圍不是很寬的場合，應用該方法設計出來的濾波系統不僅測量精度較高，成本低，而且實現簡單，具有較好的實際應用價值。

關鍵詞：有源濾波器；程控濾波；放大器；單片機

中圖分類號：TN713文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)1905403

Design of a Programmable Filtering System

HU Tao，DU Yuren，SHI Zhifeng

(College of Information Engineering，Yangzhou University，Yangzhou，225009，China)

Abstract：The paper introduces a method for programmable filtering system.The single chip computer is used for center controller，designing the enlarge part of instrumentation amplifier and the cutoff frequency of filter.Input signal is generated from signal generator，keyboard inputs the setting parameters，observes the output waveform and measures data.The filtering system with this method not only has better measurement accuracy and low cost but also is easy to realize.It is the same with the occasion of the frequency signal which is not very wide dynamic range.

Keywords：active power filter;programmable control filtering;amplifier;single chip computer

1 引 言

濾波是數據采集，信號處理，通信系統和工程測試等領域的重要環節，如A/D采樣前的抗混疊濾波和D/A轉換后的平滑濾波。濾波網絡的理論逼近問題早在二十世紀三四十年代就已解決，但濾波器的綜合技術由于其網絡元件參數的實際選擇和調試問題的難度，一直沒有長足的發展。近年來雖然有開關電容式專用集成芯片問世，但其價格不菲，電路的噪聲也很大。

在信號頻率動態范圍不是很寬的的場合，可以采用多種截止頻率的濾波器，用程控方法對頻率動態范圍的信號進行濾波。本文提出了一種程控濾波系統的設計方法，采用電阻、電容以及運放構成，并通過模擬開關選取不同的阻值以實現截止頻率的改變，采用RC有源濾波器電路設計，這樣的實現電路較簡潔，精度高而且調試方便，成本低。

2 放大電路設計

根據設計要求，需要實現60 dB增益指標和40 kHz帶寬，用一級運放很難達到這樣的帶寬增益積，因此放大電路由兩級運算放大器和模擬開關控制的電阻網絡組成，如圖1所示。采用同相放大器有較高的輸入阻抗。前級放大器A1增益選的較高為40 dB，可以提高切換部分的信噪比，后級A2增益為20 dB。OP37的運放可以滿足帶寬增益積的要求，由于是交流放大器，失調電壓沒有影響，不必加平衡電阻以簡化電路。

圖1 放大與增益調整原理圖

切換開關選用8檔的模擬開關CD4051。按10 dB間隔，可以實現的增益分別為60 dB，50 dB，40 dB，30 dB，20 dB，10 dB，0 dB，-10 dB。10 dB增益衰減對應放大倍數3.162 28倍，可得到如下的電阻計算公式：

R1+R2R1=3.162 28

R1+R2+R3R1+R2=3.162 28

以此類推，可得到其他電阻的值的計算公式，取R1=100 Ω。

3 濾波電路設計

濾波器由高通濾波器和低通濾波器電路組成，用開關(繼電器)來切換它們。設計的濾波器是在電容值不變的情況下，改變電阻的值來產生不同的截止頻率。設計截止頻率為1~20 kHz，步進1 kHz的濾波器。參考《有源濾波器精確設計手冊》設計2階增益為1的巴特沃斯濾波器。

又因為在如下設計的電路中fc=12πR1C1R2C2，在保證電容值不變的情況下，電阻值必須按比例關系變化。先算出截止頻率10 kHz時的C1，C2，R1，R2的值，然后在其他截止頻率時，電阻R1′=10×103fc×R1，電阻R2′=10×103fc×R2。

3.1 低通濾波器電路設計

設計截止頻率為1~20 kHz的低通濾波器，步進1 kHz，參考《有源濾波器精確設計手冊》原理圖如圖2所示，計算公式如下：

C2=10/fc

C1≤［B2+4C(K-1)］C24C=B2C24C

R1=2{BC2+［B2 + 4C(K-1)］C22-4CC1C2}ωc

=2{BC2+［B2C22-4CC1C2］}ωc

R2=1CC1C2R1ω2c

查表得參數B=1.414 214，C=1.000 000。以此類推可以得到電阻網絡中電阻阻值，實際電阻值可以適當進行調節。運放增益帶寬要求不高，同樣可以用OP37。20檔頻率用兩個16檔的模擬開關CD4067切換電阻完成。為了減少模擬開關分布電容的影響，把開關切換位置選在低阻抗的節點上，即R1連接輸入端口和R2連接運放的端口。后者盡管不是低阻抗節點，但它與C2并聯，可以調控C2的數值來補償。

圖2 二階巴特沃斯低通濾波器原理圖

3.2 高通濾波器電路設計

設計截止頻率為1~20 kHz的高通濾波器，步進1 kHz，參考《有源濾波器精確設計手冊》原理圖如圖3所示，計算公式如下：

C1=C2=10/fc

R2=4C［B+B2+8C(K-1)］ωcC1=2CBωcC1

R1=Cω2cC21R2

查表得參數B=1.414 214，C=1.000 000。以此類推可以得到電阻網絡中電阻阻值，實際電阻值可以適當進行調節。運放仍選用OP37，模擬開關切換節點選在低阻抗的R2接地端和R1接輸出端的位置。

圖3 二階巴特沃斯高通濾波器原理圖

4 程控濾波電路設計

在上述電路的基礎上，程控濾波電路的設計如圖4所示。

圖4 程控濾波電路原理圖

5 測量數據

截止頻率的測試，在放大器增益為40 dB下測得的。鍵盤輸入截止頻率，然后調節輸出波形幅度為輸入波形幅度的0.707倍，看信號發生器上顯示的頻率。

表1為截止頻率分別為1 kHz，9 kHz，20 kHz下的測量數據，從數據從可以得出測量頻率的誤差都比較小，精度較高。

表1 測量結果

截止頻

率 /kHz測試高通fc /kHz誤差測試低通fc /kHz誤差低通2fc衰減分貝高通0.5fc衰減分貝

11.022.0%0.9950.5%12.412

55.153.0%5.255%12.412.4

99.841.8%9.192.1%1212.1

1514.761.6%15.674.5%12.212.2

2020.52.5%20.442.2%12.412

6 結 語

本文利用單片機AT89S52來完成對程控濾波器系統的控制，采用的是基本的放大和濾波電路和模擬開關控制電阻網絡相結合的方法，通過單片機對參數進行設置，來得到需要的濾波電路。測量數據精度較高，很好地完成了程控濾波器的設計工作。

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作者簡介

胡 濤 男，1986年出生，揚州大學信息工程學院2004級電子信息工程專業學習。研究方向為電子測量。

杜宇人 男，1962年出生，副教授，碩士生導師。研究方向為電子測量、圖像處理。

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