基于可編程濾波器和微控制器的電路分析綜合設計實驗

王驍賢 張保華

摘要：電路分析是電氣信息及相關專業學生的專業核心課程。本文提出一種基于可編程濾波器和微控制器的電路分析綜合設計實驗項目。上位機給微控制器發送指令，驅動微控制器的GPIO端口和定時器對可編程濾波器進行配置，可以得到不同類型、中心頻率以及帶寬的濾波器。該項目同時涉及模擬電路和數字電路的相關知識，能夠讓學生直觀理解信號頻率特性、綜合鍛煉學生的濾波器設計、微控制器編程等動手實踐能力。

關鍵詞：可編程濾波器;微控制器;電路分析課程;綜合設計實驗

一、 電路分析綜合設計實驗要求

電路分析是電氣信息及相關專業學生的專業核心課程，是后續電類課程的基礎。作為一門理論和實踐相結合的課程，電路分析實驗能夠讓學生更深入地理解課程知識，同時提高學生的動手實踐能力。

實驗課程的前面部分一般安排基礎的相對獨立的電路實驗，例如伏安特性實驗、諧振電路頻率特性實驗、模擬濾波器實驗等。綜合設計實驗相當于一個小的設計項目，一般安排在實驗課程的后面部分。

學生有了基本的電路知識和實驗操作經驗之后，通過綜合設計實驗，能夠融會貫通所學知識，進一步提升動手實踐能力。

二、 可編程濾波器和微控制器的綜合設計實驗裝置

針對以上電路分析實驗要求，本文提出一種基于可編程濾波器和微控制器的綜合設計實驗，通過采用數字集成電路的方法可讓學生加深對信號頻率特性的理解，掌握信號通頻帶、品質因數等參數的物理意義。

（一） 可編程濾波器

可編程濾波器是一種能夠通過微控制器編程實現不同類型、中心頻率以及帶寬的濾波器，是一種有源濾波器。相比于傳統的由RLC基本元件構成的無源濾波器，可編程濾波器具有元器件少、方便可調、容易控制等優點。在本實驗中選用Maxim公司的雙通道通用開關電容有源濾波器芯片Max261，其可實現64步可調的中心頻率控制、128步可調的品質因子控制，中心頻率可達57kHz。

該濾波器可以配置為五種濾波器類型，即低通、高通、帶通、全通和帶阻。不同濾波器類型輸出由不同管腳控制。

在類型確定之后，濾波器的中心頻率和帶寬可以通過編程配置頻率比N和品質因子Q實現。頻率比N=fCLK/f0，其中fCLK為輸入外部時鐘頻率，f0為濾波器中心頻率。品質因子Q可以調節濾波器帶寬，例如對于帶通濾波器，其上下截止頻率fH和fL可由下式計算：

fH=f012Q+12Q2+1（1）

fL=f0-12Q+12Q2+1（2）

式中Q=f0/B為品質因子，B=fH – fL為-3dB帶寬。采用微控制器對濾波器的頻率比N和品質因子Q參數進行配置，即可實現濾波器參數調節。

（二） 微控制器

本設計實驗中，需要微控制器實現對濾波器指令發送和對上位機指令接收，微控制器選用的是意法半導體公司的32位、168MHz主頻的STM32F407。

實驗中，需要用到STM 32的三種外設模塊，分別為普通輸入輸出端口（GPIO），定時器（Timer），和串口（USART）。其中7個GPIO連接Max261的WR、A0-A3、D0、D1共7個端口。WR為低電平有效的讀寫信號;A1-A3為地址，指向兩個通道的濾波器的模式、頻率和品質因子參數;D0和D1是要讀寫的數據，通過移位的方式逐位推入Max261。Timer產生頻率可調的占空比為50%的PWM信號為濾波器提供時鐘信號。

（三） 上位機

為了方便在線更改濾波器參數，本實驗通過上位機串口給STM32發送指令。如果上位機有RS232的9針串口，則可以通過Max3232芯片進行電平轉換和STM32通信。

如果上位機沒有RS232串口，可以通過FT232芯片實現USB轉串口和STM32通信。STM32通過串口中斷接收上位機指令，實時將指令譯碼通過子程序配置Max261。

三、 實驗過程

本節通過一個f0=2kHz，-3dB上下截止頻率fH和fL分別為2250Hz和1750Hz的帶通濾波器的例子來進一步介紹實驗過程。

根據Max261的數據手冊，可以選用N=100.53的頻率比，計算出來的時鐘頻率為201.06kHz，該時鐘信號由STM32的Timer產生。由fH和fL可得帶寬B=500Hz，則Q=f0/B=4。將N和Q的值通過STM32的GPIO口配置給Max261即可獲得符合要求的濾波器。

隨后，為了直觀地顯示濾波器的濾波效果，利用函數發生器產生一個多頻正弦混合信號，即s（t）=sin（2πf1t） + sin（2πf2t） + sin（2πf3t），其中f1，f2，f3分別為1750Hz，2000Hz，2250Hz。將該信號輸入Max261的IN端口同時把

示波器的CH1表筆連接該端口，再把示波器的CH2表筆接到Max261的帶通濾波輸出（BP）端口，同時把示波器的頻譜分析功能打開，調整合適的頻率尺度范圍。

從CH1的頻譜上可以看到1750Hz，2000Hz，2250Hz三根高度一樣的譜線。s（t）經過帶通濾波后，中心頻率2000Hz的譜線能量不變，其他頻率的譜線能量將被衰減。從CH2的頻譜上可見1750Hz和2250Hz的譜線高度明顯低于2000Hz的譜線高度，譜線高度降低至原來的0.707倍（-3dB），該結果說明帶通濾波器已經被正確配置能夠正常工作。

進一步地，可以通過上位機串口給STM32發送指令，改變濾波器中心頻率和帶寬以測試可編程濾波器性能。在時鐘頻率和品質因子Q不變的情況下，增加頻率比N的值，中心頻率f0將降低，從CH2頻譜上將看到1750Hz譜線的高度逐漸增加、2000Hz和2250Hz譜線高度逐漸降低，該結果說明了帶通濾波器的中心頻率在降低。

將頻率比N調整回100.53并固定，即f0=2000Hz，提高Q值，將看到2000Hz的譜線高度不變，1750Hz和2250Hz的譜線高度逐漸降低，說明f0不變的情況下提高Q值，濾波器的帶寬將變窄。

學生可以通過上位機串口給STM32發指令改變濾波器的類型和其他參數，通過濾波器上的頻譜分析觀察濾波器的性能和輸出效果，并記錄濾波器的參數和輸入輸出信號頻譜的關系，做成定量分析的實驗表格。

此外，Max261內置兩個二階濾波器，如果單個濾波器不能滿足需求，例如需要設置特定的最大通帶紋波和最小阻帶衰減等。這時可以將兩個濾波器級聯形成四階濾波器以滿足更高的設計要求。

四、 結論

本文提出了一種基于可編程濾波器和微控制器的電路分析綜合設計實驗。該實驗能夠讓學生更直觀深入地理解濾波器和信號頻率分析中的帶寬、品質因子等概念，提高對模擬電路和數字電路的設計能力和編程實踐能力。

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作者簡介：

王驍賢，張保華，安徽省合肥市，安徽大學電子信息工程學院。