程控滤波器的设计报告
程控滤波器报告
摘要：本设计以单片机PIC16F877A为核心，实现程控放大滤波的功能，放大部分是由单片机控制的继电器，以及LF353和电阻构成三级运算放大电路，根据继电器选择不同的反馈电阻，实现对信号的6dB、12 dB、18 dB、24dB、30dB、48dB. 54dB .60dB不同放大。
滤波器则采用关键词：PIC16F877A；放大；滤波；目录1 系统设计 (3)1.1设计要求 (3)1. 基本要求................................................. 错误！未定义书签。
2. 发挥部分................................................. 错误！未定义书签。
1.2系统思路 (3)2 单元电路设计 (4)2.1控制单元设计 (4)2.2放大电路设计 (5)2.2.1电路原理图 (5)2.2.2工作原理 (5)2.2.3器件选择 (6)2.3高通滤波电路设计 (6)2.3.1电路原理图 (6)2.3.2工作原理 (7)2.3.3器件选择 (8)3软件设计 (8)3.1软件实现的功能 (8)3.2软件平台和开发工具 (8)3.3软件设计思想 (8)3.4 软件总系统的设计 (9)3.5各功能模块设计 (9)3.5.1 DA控制送显模块 (9)1）软件功能及算法 (10)2）流程图 (10)3.5.2读取键盘，设定预设截止频率值显模块 (11)1）流程图 (11)4 系统测试 (11)4.1放大电路电压增益的测量 (11)4.1.1测量方案 (11)4.1.1测量结果 (12)4.2高通滤波电路的测量 (12)4.2.1测量方案 (12)4.2.2测量结果 (12)5 结论 (13)6参考文献 (14)附录 (14)1 系统设计1.1设计要求设计一程控滤波器1. 基本要求（1）放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为48dB，增益6dB 步进可调，通频带为100Hz～50kHz，放大器输出电压无明显失真。
程控滤波器设计报告
综合课程设计报告—程控滤波器指导老师：林旭班级：信通4班姓名：朱明贵学号：111100443同组：刘奕兰学号：1111004231、设计题目程控滤波器2、设计简介（1）、任务设计并制作程控滤波器，其组成如图所示。
放大器增益可设置；低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。
图1程控滤波器组成框图（2）、要求1）. 基本要求①放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通频带为100Hz～40kHz，放大器输出电压无明显失真。
②滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在2kHz～10kHz范围内可调，调节的频率步进为2kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1kΩ。
③滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在2kHz～10kHz范围内可调，调节的频率步进为2kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1kΩ。
④电压增益与截止频率的误差均不大于10%。
⑤有设置参数显示功能。
2. 发挥部分放大器电压增益为60dB，输入信号电压振幅为10mV；增益10dB 步进可调，电压增益误差不大于5%。
3、方案论述（1）放大器方案论证与比较方案一：采用模拟开关和通用放大器实现。
放大器采用反向比例放大的接法进行多级级联，通过用单片机控制模拟开关切换不同的反馈电阻，从而达到放大倍数步进可调的要求。
此方案电路结构比较简单，但电路原件数目庞大，控制复杂。
方案二：采用可控增益放大器实现。
用两块放大倍数为-10dB~30dB的可控增益放大器AD603级联的方式实现-20dB~60dB增益步进可调。
满足基本部分和发挥部分要求，电路简单，易于控制，故选此方案。
（2）滤波方案论证与比较方案一：采用基于FPGA的数字滤波器实现采用“A/D转换->FPGA/MCU处理->D/A”转换的方法进行数字滤波处理。
数字滤波器具有灵活性好，精度高，截止特性好等优点。
程控滤波器设计
目录0 引言 (2)1 方案的比较与选择 (1)1.1.1 方案比较 (3)1.1.2 系统总体设计方案与框图 (3)2 总体设计 (3)2.1.1 放大器模块 (3)2.1.1滤波器模块 (3)2.1.1人机交换模块 (3)3 程序设计 (8)4 实验调试与仿真 (7)5 结论 (8)6 心得体会 (9)7 致谢 (9)8参考文献 (9)程控滤波器摘要：程控滤波器在现代电子设计中有非常重要的作用.本设计可分为三个模块:放大器模块、滤波器模块、人机交换模块。
放大器模块采用AD605可控增益放大器芯片实现信号放大，因为电路难免产生干扰和噪声，我选用可控增益放大器来进行电压跟随，实现信号平稳。
滤波器模块若采用模拟方式实现，有控制不方便、容易受环境因素影响等缺点。
在当代数字信号处理技术飞速发展的情况下，针对这些不足，本文运用以FIR 滤波器为核心的设计方法，利用MATLAB与DSP Builder进行了理论的计算和FIR滤波器系数的设计以及结果的仿真，然后以DSP芯片为核心设计了整个滤波器的硬件平台。
人机交换模块通过硬件描述语言VHDL编程控制，更为简便。
经测试整个系统界面友好，操作方便，运行较稳定。
关键词：AD603可控增益放大器MATLAB DSP Builder FIR滤波Abstrac t: in modern electronic design program-controlled filter has important role. This design can be divided into three modules: amplifier module, filter modules and man-computer exchange module. Amplifier module USES AD605 controllable gain amplifier amplification, because chip realization circuit generation of hard to avoid interference and noise, I choose controllable gain amplifier to follow, realize the voltage signal smoothly. Filter modules if using simulated way realization, have not convenient, easy to control by environmental factor influence shortcomings. In contemporary digital signal processing technology rapid development situation, aiming at these shortages, this paper using FIR filters for core design method, using MATLAB and DSP Builder theoretical calculation and FIR filter coefficient of design and the result of the simulation, and then with DSP as the core design the whole filter hardware platform. Man-computer exchange module by VHDL programmable control, more simple. By testing the whole system friendly interface, easy to operate, the operation is stable.Keywords: AD603 controllable gain amplifier MATLAB DSP Builder FIR filters0 引言滤波器就是选频电路，可允许一部分频率的信号通过，而抑制另一部分频率的信号，它在数据采集、信号处理和通信系统等领域具有重要作用。
程控滤波器
程控滤波器设计报告0.摘要：本系统由可控增益放大器、程控滤波器、信号发生部分、控制部分等组成。
可控增益放大部分以DAC7541为核心，实现了输出增益的动态调整。
滤波器部分采用四通道通用滤波器LTC1068实现了低通滤波、高通滤波截止频率和Q值可调。
频率特性测试仪用DDS做信号源。
以STM32单片机作为控制核心，以OCMJ4X8C液晶作为显示部分，实现了增益和截止频率的预置，并实现功能测试和显示。
系统性能达到了设计要求，安全可靠，用户界面良好。
关键字：程控滤波器 DAC7541 LTC1068 STM32 OCMJ4X8C液晶一．方案论证与比较根据题目要求，本系统设计主要包括：可控增益放大器、程控滤波器、幅频特性测试仪等部分构成。
1.1 可控增益放大器设计方案一：采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA202、PGA03构成，此方案控制简单，但是PGA202、PGA203不能实现0dB到60dB的步进，需要一级调整增益电路，实现困难。
方案二：采用双运放LF353，带宽增益可以达到4MHZ，两级级联可以使电路增益达到60dB，采用继电器改变增益电阻阻值，实现10dB步进可调，基本要求可以实现。
但是由于电阻阻值误差，精度可能达不到设计要求。
方案三：基于程控放大的基本原理，利用权电阻式DA电阻网络，通过改变DAC7541权电阻网络的值对电阻进行控制实现程控衰减。
而在进入DA之前采用TI公司的INA128和OPA606对信号进行两级放大，将电压幅值放大1000倍。
通过改变DA控制字，可以达到程控放大的目的。
由于INA128很适合对小信号的放大，而OPA606具有较宽的频带宽度，所以能较好的实现对信号的放大。
同时DAC7541是十二位的DA转换芯片，其内部的电阻精度可以实现更小的程控步进（5dB）。
综上所述，本设计采用方案三。
1.2 程控滤波器的设计方案一：采用集成的开关电容滤波器如MAX262，开关电容滤波器可直接处理模拟信号，简化电路设计，容易实现功能。
程控滤波器的设计报告
程控滤波器的设计报告 This manuscript was revised by the office on December 10, 2020.程控滤波器设计报告（初步）摘要：本系统设计由可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪4部分组成。
可控增益放大器部分是以AD603作为核心器件，实现0～60 dB之间的增益调节；程控滤波器部分通过MAX261不同工作方式的设置，实现不同的滤波要求。
整个系统的控制和操作采用单片机8051F020来完成。
测试结果可用LCD显示。
性能指标达到设计要求，工作可靠，用户界面友好.关键词：AD603，程控滤波器，8051F020，幅频特性目录第一章总体方案设计 1-1第二章方案论证 2-4第三章各单元模块设计第一节放大器模块 5-5第二节滤波器模块 6-6第三节幅频特性测试模块 7-7 第四章测试结果（略）第五章设计总结 8-8第六章附录（略）第一章总体方案设计引言：本设计是基于开关电容有源滤波器的程控滤波器，可自由选择低通、高通和带通模式，也可步进调节滤波器通带截止频率和放大器增益，其创新点在于设计实现了四阶低通椭圆滤波器功能以及幅频特性的测试与显示功能。
该程控滤波器设计成本低、实现简单，可广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制等领域，具有较强的实际应用性，走在国内外相关领域的前沿。
系统软件设计主要有3部分：(1)设置放大器的增益，控制高低通等滤波器的切换并设定其截止频率；(2)幅频特性测试．产生DDS信号的频率控制字，控制频率步进，测量并显示信号通过滤波器后的幅值信息；(3)人机交互功能。
系统软件设计采用模块化思想，模块内部采用层次化设计，总体流程如图1-1所示。
图1-1第二章方案论证程控放大器方案题目要求放大器输入信号振幅10mV，即峰峰值为20mV，电压增益为40dB，增益步进为10dB，通频带为100hz-40khz。
方案一：使用低噪声运放OP37按要求做6路不同幅度的放大，然后再用继电器或模拟开关做通道切换。
程控滤波器
引言滤波器就是选频电路，可允许一部分频率的信号通过，而抑制另一部分频率的信号，它在数据采集、信号处理和通信系统等领域具有重要作用。
这里提出一种基于开关电容有源滤波器的程控滤波器，可自由选择低通、高通和带通模式，也可步进调节滤波器通带截止频率和放大器增益。
该程控滤波器设计成本低、实现简单，可广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制等领域。
2 系统设计方案该系统设计由可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪4部分组成。
图1为其系统总体设计框图。
图1中，可控增益放大器部分是以AD603作为核心器件，实现0～60 dB之间的增益调节。
AD603为低噪声精密可变增益放大器，温度稳定性高，其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量由加在增益控制接口的参考电压决定；其增益与控制电压呈线性关系，通过单片机控制，而由D／A转换器产生精确的参考电压来控制增益，从而实现较精确的数控，同时可降低干扰和噪声。
程控滤波器部分采用开关电容滤波器实现。
开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的集成滤波器，其开关电容组在时钟频率的驱动下，可等效成1只与时钟频率有关的等效电阻R=1／2πCfc。
其中C为开关电容组的电容,fc 为滤波器时钟频率。
当用外部时钟改变fc时，等效电阻R改变，从而可改变滤波器的时间常数，也改变滤波特性。
开关电容滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器需要A／D、D／A转换，这样简化电路设计，提高系统的可靠性。
该系统采用集成的开关电容滤波器MAX297实现低通滤波，采用MAX263实现高通滤波。
利用电感和电容可搭建各种类型的滤波器该系统利用无源LC滤波器技术，参照滤波器设计手册相关参数，比较容易地实现较理想的四阶椭圆低通滤波器，采用有源RC滤波器实现带通滤波器。
放大器输出信号通过滤波器后加在1 kΩ的负载上，各滤波器的输出切换由继电器实现。
程控滤波器设计
程控滤波器设计一：设计要求：设计一款有源滤波器,要求截止频率可调。
二：设计思路系统总体设计包括数字和模拟两大部分。
其中模拟部分主要采用巴特沃斯滤波器，截止频率2f s，因此R1,R2及C1,C2的变化可以相应改变系统的截止频率，本设计主要通过改变R1,R2的值达到控制目的。
数字部分CD4052是转换开关，可以对输入量进行选择输出，因而可将四组固定电阻接到CD4052的输入端，通过单片机8051控制A,B 口实现对四组电阻的选择。
三、总电路图的设计1、新建一个项目工程文件并命名为Filter.PrjPCB 。
1）由于库里没有8051和LCD1602等元器件，可以从网上下载库文件，放到文件库文件夹，也可以根据资料先画出它们的引脚图和封装。
在Filter.PrjPCB 中新建一个元器件库文件并命名为lvbo.SchLib 。
做完后效果如图：同样在Filter.PrjPCB 中新建一个元器件封装文件并命名为lvbo.PcbLib 。
点击它，在该面板编辑器上，选择Tools/New Component,启动元器件封装向导，按要求完成8051的封装设计，该封装命名为MyDIP40，描述为8051.同理完成LCD1602的引脚图设计，并保存在lvbo.SchLib 。
结果如上图所示。
2）在回到8051的引脚编辑器中，点击左下角的SCH Library ，编辑8051，add Footprint ，选择lvbo.PcbLib ，即完成了简单的增添封装。
而对LCD1602增添封装时。
设置library path ，然后添加Browse/find 1602即可。
3)按照要求画出总的原理图：在该项目工程文件下新建一个原理图文件并命名为lvbo1.SchDoc。
对原理图中一些器件连接的说明：1此原理图使用了较多的网络标签；2放大器选用LM324；双路双刀四掷开关选用CD4052BC,EN为使能端，A、B 通过单片机P1.3和P1.4脚的输出可以选择四组不同的电路；3 单片机部分：左半部分主要为晶振和复位电路，P0口连接CLD1602输出，开关控制P1口，闭合S1时，P1口的状态为0111xxxx，闭合S2时，P1口的状态为1011xxxx，闭合S3时，P1口的状态为1101xxxx，闭合S4时，P1口的状态为1110xxxx，从而四种状态控制P1.3和P1.4的输出。
程控滤波器(D)设计报告 测试数据
滤波器 200KHz处的总电压增益/dB 〈5dB 〈1dB
-3通带误差% 〈5 〈2
误差% 1 0.5 0.7 1 0.6 0.5 0.6 0.8 0.4 0.8
频率 11Khz 12KHz 13KHz 14KHz 15KHz 16KHz 17KHz 18KHz 19KHz 20KHz
实测带宽/KHz 11.02 12.04 13.06 14.10 15.06 16.04 17.12 18.02 19.06 20.06
幅频 扫频输出信号的频率变化范围 100Hz～200KHz 100HZ～200KHz
特性 频率步进 10KHz 500KHz
测试仪
测试方法与测试结果
1.程控放大器电路测试
测试方法：用经过校准的信号源在信号输入端加10mV正弦波。在100Hz~40KHz频带内，按照一定的频率步进设置测试点，在每个频率测试点以10dB为步进，从0dB到60dB测试七组数据，测试数据详见表1。
表1程控放大器电路测试数据
频率 0dB 10dB 20dB 30dB 40dB 50dB 60dB
频率（2fc） 22KHz 24KHz 26KHz 28KHz 30KHz 32KHz 34KHz 36KHz 38KHz 40KHz
实测
幅度/mV 163.2 162.4 163.1 160.5 158.4 155.4 153.3 152.3 151.1 150.1
增益（dB） 24.25 24.21 24.25 24.11 23.99 23.83 23.71 23.65 23.59 23.53
0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益/dB <30 <25
程控滤波器实验报告
程控滤波器的设计（D题）摘要设计的程控滤波器主要由信号放大电路、开关电容滤波电路、单片机控制电路和液晶显示电路等组成。
用AT89S51单片机对开关电容滤波器MF10进行控制，从而对输入正弦波信号进行低通、高通滤波处理。
利用DDS技术为MF10提供外部时钟，有效地控制滤波电路的截止频率。
测试表明该电路具有满足竞赛设计要求。
关键词单片机，开关电容滤波器，直接数字频率合成，液晶显示目录1.系统设计 (3)2.单元电路设计 (5)3.软件设计 (8)4.系统测试 (9)5.结束语 (11)参考文献 (11)附录 1 单片机控制电路图 (11)附录 2 元器件明细表 (12)附录3 程序清单 (13)1.系统设计1.1设计要求1.1.1基本要求（1）放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为40dB，增益10dB 步进可调，通频带为100Hz～40kHz，放大器输出电压无明显失真。
（2）滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率f c在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2f c处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, R L=1kΩ。
（3）滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率f c在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5f c处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, R L=1kΩ。
（4）电压增益与截止频率的误差均不大于10%。
（5）有设置参数显示功能。
1.1.2发挥部分（1）放大器电压增益为60dB，输入信号电压振幅为10mV；增益10dB步进可调，电压增益误差不大于5%。
（2）制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB，-3dB通带误差不大于5%。
（3）制作一个简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号的频率变化范围是100Hz～200kHz，频率步进10kHz。
程控滤波器报告.
程控滤波器摘要本设计以STM32F103RB为控制核心，实现了基于开关电容滤波器的程控滤波器，滤波器可实现低通和高通的滤波功能，截止频率在1~40KHz内连续可调，前级放大采用增益可控放大器实现了增益从-20~60dB连续可调，系统采用有源RC网络实现了四阶椭圆低通滤波器。
关键词：程控放大滤波一、方案比较与论证1．题目要求根据题目要求设计并自作一个增益和截止频率可调的程控滤波器，本作品可分为一下几个模块：程控放大器模块，程控滤波器模块，人机交互模块以及四阶椭圆滤波器。
2．方案比较（1）放大器模块方案一：用继电器在几个不同增益运放间切换分别设计增益为10dB、20dB、40dB的固定增益放大器，通过继电器的切换使得三个放大器不同组合从而实现0dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB、60dB 的增益，但是该电路硬件结构复杂且大量使用继电器使得功耗较大。
方案二：使用D/A衰减器实现先将信号放大1000倍，然后将其输入到D/A的参考电压端，通过调节数字量实现不同的衰减倍数，从而实现增益的可调。
但是他的dB增益与数字量不成线性关系而是指数关系，会造成调节误差‘方案三：可控增益运算放大器使用可控增益运算放大器如AD603,它是由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。
输入的信号经过R-2R衰减网络衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。
其增益的控制可以通过调整控制电压来完成。
而控制电压可以由D/A来产生，从而可以实现增益的数字控制。
并且其增益和控制电压成dB线性关系。
通过两块AD603的级连可以实现增益在-22~62dB间线性可调。
综上所述，方案三电路简单，带宽符合要求，增益线性可调，所以前级放大采用方案三。
（2）低通滤波器模块方案一：用运放构成有源滤波器使用运放构成有源滤波器可使制作成本降低但是要达到题目要求的滤波器截止频率可变，则需要多片运放组成多个滤波器，多级电路连接，调试起来较为困难。
程控滤波器
程控滤波器摘要本设计由程控滤波器和简易幅频特性测试仪两部分组成。
两部分分别以MSP430F1611单片机作为控制芯片。
程控滤波器采用同时具备高通、低通、带通输出的状态变量型滤波器。
简易幅频特性测试仪以DDS芯片AD9854作为扫频信号源，采用RMS-DC变换技术将交流信号转化成直流电平，MSP430F1611通过自带的ADC对转换的直流信号进行采集、送至内部处理、通过液晶显示而完成幅频特性的测试和显示。
关键字：状态变量滤波器DDS RMS-DC变换AbstractThis design consists of two function blocks : digitally control programmable filter blocks and amplitude-frequency characteristic tester blocks. Both of them are controlled by two independent MCUs called MSP430F1611. Digitally control programmable filter designed into state variable filter which contains LPF, BPF, HPF at one time. Amplitude-frequency characteristic tester contains frequency sweep signal source which made by DDS CMOS chip ，RMS to DC system and MCUprocessing system.Key Words: state variable filter , DDS , RMS to DC一、方案论证与比较1、放大器方案论证与比较放大器的设计结合基本部分和发挥部分的要求，主要实现三个指标，第一放大器增益可以程控，第二最大增益要达到60dB，第三程控步进范围为10dB。
程控滤波器设计与总结报告
程控滤波器设计与总结报告程控滤波器设计与总结报告摘要本设计采用以AT89C52单片机为核心的单片机系统、DDS芯片、基本放大电路以及开关电容滤波器实现了信号源频率、放大倍数、滤波器频率均可按一定步进调整的功能，键入放大倍数和滤波器频率都可直接数码显示的功能。
该系统由三个模块电路构成∶程控放大器电路、程控滤波器电路和信号源电路。
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；通过8254产生可变方波信号并送入MAX262,同时改变其控制字以及地址，决定滤波器的截止频率fc；改变DDS芯片AD9850的控制字产生不同频率的方波。
关键词：程控滤波器,单片机,DDS技术,放大器系统总体框图框图1系统总体框图该设计以51单片机为核心实现了信号源输入频率、放大倍数、中心频率均可按一定步进调整的功能，键入输出放大倍数和滤波器中心频率都可直接数码显的功能。
系统原理框图如图1-1所示，总体电路图如图1-2所示。
图1-1 系统原理框图图1-2 总体电路图2 2 核心电路原理图核心电路原理图核心电路原理图2.1 2.1 信号源部分信号源部分信号源部分AD9850采用CMOS 工艺，其功耗在3.3V 供电时仅为155mw,扩展工业级温度范围为-40～80o C，采用28脚SSOP 表面封装形式。
AD9850内含可编程DDS 系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。
其中，各标号线均接到单片机，由单片机来控制AD9850, 改变其控制字从而产生不同频率的正弦波，作 为整体电路的信号源，电路如图2-1所示。
图2-1 信号源电路原理2.2 2.2 程控放大部分程控放大部分程控放大部分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一10 dB～30 dB，带宽为90 MHz，故级联方式可使增益达到-20dB～60dB，控制电压为0 V～2 V。
基于X9313设计程控滤波器
２ ２ 放 大 电路 的设计 ．
放大倍 数 为 １＂６ Ｂ、０ｄ ０－ ０ｄ １ Ｂ步 进 。 由 ２ １ － ０ｇ
ｌ ｕ 计算出设计中所要求的电压放大倍数分别 Ａ Ｉ
为 ３ １ ，Ｏ ３． ，０ ，１ ， ０ 。可将放 大 电路 ． ６１ ，１６ １０３ ６ １ ０ ０ 分 为三 阶 ， 电路 原 理 如 图 ４ 。输 人 信 号先 经过 电 压 跟随器 ， 经 三 阶放 大 电路 ， 一 阶 放 大 为 ３ 再 第 ． １ ６或 ｌ Ｏ倍 ， 二 阶放 大 为 １或 １ 第 Ｏ倍 ， 三 阶放 第
程控 功能 。本设 计 以 ＰＣ１Ｆ ３单 片机 为 ＭＣ Ｉ ６７ Ｕ，
图 ２ 系统 硬 件 框 图
１３ 设计 要求 ．
把有源滤波器与数字电位器 Ｘ ３３ ９１ 相结合 ， 从而 完成程控滤波器 的设计 。
（） １ 设计—个放大倍数可变 的电路 ， 要求输入正
弦信号 电压 振 幅为 １ Ｖ 电压增益 为 １ Ｂ ０ｍ ， ０ｄ ～
数 。每 一阶放 大倍数 转换 由继 电器来 切换 。当输 入信号 为 ４ Ｈｚ 放 大倍 数 为 １ ， ０ｋ 且 ０时 要求 运 放 的带 宽 增 益 积 为 ４Ｍ Ｈｚ所 以选 用 运 算 放 大 器 ， Ｌ ３３ Ｆ ５ 。图 中 Ｃ 起 隔直 作用 。 ９
大也为 １ １ 倍 ， ＭＣ 或 Ｏ 由 Ｕ控制继电器可组合出 如表 １ 所示各个 电压放大倍数 。第一级放大电路
增 益不 大 于 ３ Ｂ， —ｌｋ ｌ ０ｄ ＲＬ Ｅ。
２ 系统各模块 电路设计
图 １ 程控滤 波器组成框
２ １ 显 示 、 键与 单 片机 电路 ． 按
１２ 总体 设计 思 路 ．
图 ２为 系统硬 件 总体框 图 ， 主要 有 ＰＣ１Ｆ ３ Ｉ ６ ７ 单 片机 、 Ｅ 数 码 显 示 、 大 电路 、 波 电路 等 。 ＬＤ 放 滤
程控滤波器设计
程控滤波器设计摘要：本系统以以单片机89C52和FPGA为控制核心，设计了基于开关电容滤波器的程控滤波器。
该系统具有高通、低通功能，-3dB截至频率在1kHz~40kHz步进可调。
前级采用可控增益放大器实现了对通带10Hz~6MHz的信号进行0dB~60dB的精确放大，系统采用无源LC网络实现了四阶椭圆低通滤波器，利用高速DA和有效值检波电路实现了幅频特性测试仪。
系统以键盘和LCD实现人机交互，界面友好，操作简单。
关键词：程控放大；开关电容滤波器；幅频特性测试1 方案论证1.1滤波器方案选择方案一：采用数字滤波器。
利用MATLAB的数字滤波器设计软件设计FIR或者IIR滤波器，然后在FPGA中用Verilog语言来实现。
数字滤波器具有精度高，截止特性好等优点。
但是FIR滤波器会占用太多FPGA资源，IIR滤波器设计时工作量大且稳定性不高，且要使截止频率可调，必须使用不同的参数，设计起来软件量比较大。
方案二：采用开关电容滤波器。
开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。
其开关电容组在时钟频率的驱动下，可以等效成一个和时钟频率有关的等效电阻。
式中C为开关电容组的电容，为该滤波的时钟频率。
当用外部时钟改变时，等效电阻R 改变，从而改变了滤波器的时间常数，也就改变了该低通滤波器的通频带。
此方案操作简单，控制十分精确。
论证：方案一需要占用很多的FPGA资源且不稳定。
方案二使用集成芯片（如LTC1068），可以很大程度上节约设计时间，并且控制简单，步进任意可调且精确，因此我们选择方案三来做程控滤波部分。
1.2程控放大器程控放大我们使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器实现。
用电压控制增益，便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰。
AD603能提供90MHz的工作带宽，两级级连后即可得到-20dB~60dB的增益。
这种方法的优点是电路集成度高，条理清晰，步进连续可调，增益控制可以做到很精确。
程控滤波器实验报告
摘要：本系统以RAM Cortex-M3为控制核心，利用开关电容技术实现程控滤波的功能。
前端放大器由可编程增益放大器PGA构成，实现了增益0—60dB、步进10dB 可调。
滤波器采用模拟开关和电容的组合替代电阻的技术，构成RC有源滤波网络，实现了程控高通、低通滤波截止频率1KHz—20KHz，步进1KHz可调。
人机接口采用按键键盘及LCD液晶显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。
1. 方案论证根据题目要求，我们分以下三部分进行方案设计与论证1．1可控增益放大器方案一：采用增益可调的单片机仪表放大器（例如AD620）可以实现增益在1~1000倍可调，但受其单位增益带宽积的限制（AD620单位增益带宽积只有12MHz),不能满足系统要求的放大器的通频带特性。
方案二：采用数字电位器和运放组成放大电路，可以通过控制数字电位器来改变放大器的反馈电阻实现可控增益。
这种方案的电路比较简单，但受数字电位器的精度限制，很难实现增益的精确控制，同时也受数字电位器带宽的限制，数字电位器的带宽会直接影响放大器的通频带特性。
方案三：采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA。
可控增益放大器的内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；利用RAM控制DAC的输出电压作为这个参考电压，可以实现较精确的增益控制。
我们采用方案三，可以实现较精确控制，AD603、AD605等可控增益放大器的输出电压幅度一般在1.5V左右，放大器需要墨迹放大电路，墨迹放大电路可以采用MAX427等集成电路芯片活着分立元器件组成的放大电路。
1．2 滤波电路方案一：采用电感和电容搭建各种类型的无源LC滤波器。
参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易的设计出理想的滤波器；但要实现截止频率可调，只有改变电感和电容参数，控制电路将是非常复杂的。
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程控滤波器设计报告（初步）
摘要：本系统设计由可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪4部分组成。
可控增益放大器部分是以AD603作为核心器件，实现0～60 dB之间的增益调节；程控滤波器部分通过MAX261不同工作方式的设置，实现不同的滤波要求。
整个系统的控制和操作采用单片机8051F020来完成。
测试结果可用LCD显示。
性能指标达到设计要求，工作可靠，用户界面友好.
关键词：AD603，程控滤波器，8051F020，幅频特性
目录
第一章总体方案设计 1-1
第二章方案论证 2-4
第三章各单元模块设计
第一节放大器模块 5-5
第二节滤波器模块 6-6
第三节幅频特性测试模块 7-7 第四章测试结果（略）
第五章设计总结 8-8
第六章附录（略）
第一章总体方案设计
引言：本设计是基于开关电容有源滤波器的程控滤波器，可自由选择低通、高通和带通模式，也可步进调节滤波器通带截止频率和放大器增益，其创新点在于设计实现了四阶低通椭圆滤波器功能以及幅频特性的测试与显示功能。
该程控滤波器设计成本低、实现简单，可广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制等领域，具有较强的实际应用性，走在国内外相关领域的前沿。
系统软件设计主要有3部分：(1)设置放大器的增益，控制高低通等滤波器的切换并设定其截止频率；(2)幅频特性测试．产生DDS信号的频率控制字，控制频率步进，测量并显示信号通过滤波器后的幅值信息；(3)人机交互功能。
系统软件设计采用模块化思想，模块内部采用层次化设计，总体流程如图1-1所示。
图1-1
第二章方案论证
程控放大器方案
题目要求放大器输入信号振幅10mV，即峰峰值为20mV，电压增益为40dB，增益步进为10dB，通频带为100hz-40khz。
方案一：使用低噪声运放OP37按要求做6路不同幅度的放大，然后再用继电器或模拟开关做通道切换。
该方案硬件实现简单，增益控制准确。
但是控制相对复杂且涉及的元器件较多，不利于系统的快速实现。
方案二：使用可变增益放大器AD603的压控增益接法。
AD603是一种低噪声，宽带（最大90M增益带宽积）可变增益运放。
根据文档中给出的增益公式，直接就可得到增益的连续控制，且结果为对数值。
可以方便的实现0db到40dB的增益范围。
综合以上分析，我们认为方案二的可操作性最佳，而且方案二经过运放调整后相对较容易实现题目峰峰值要求，故选方案二。
程控滤波器方案
题目要求滤波器可设置为低通和高通滤波器，-3dB的截至频率为
1K～20KHz，频率步进为1KHz，并且2 处系统的总增益不大于
30dB。
我们考虑的方案有以下几种：
方案一：使用现成的滤波器芯片，如Maxim公司的开关电容滤波器芯片MAX261，可以实现低通、高通、和带通滤波器，中心频率范围可以从DC到140KHz，能较好实现题目的要求。
方案二：采用状态可调滤波器，用3个运放和电阻电容来组成，电路比较简单，而且可以实现LPF、BPF、HPF三种输出。
可以使用先确定决定Q值的电阻和决定中心频率的电容，通过不同的电阻来切换中心频率，以达到截至频率为1K～20KHz，频率步进为1KHz。
方案三：采用状态可调滤波器来实现，利用DA的内部R－2R电阻网络，通过数字量的控制实现电阻的变化，来改变滤波器的中心频率，以实现题目的要求。
比较后觉得方案一比较好，相对易于实现所要求的功能。
四阶椭圆滤波器
四阶椭圆滤波器的方案为：
方案一：利用状态可调变量滤波器的LP、BP、HP输出，将三个按一定的比例叠加起来就可以得到一个二阶椭圆低通滤波器，再把两个二阶节串联起来就可以实现4阶椭圆低通滤波器.
方案二：利用运放借助现有的Filter Solutions软件，直接借助软件给出的电路，做适当的调整就可以实现4阶低通椭圆滤波器。
比较两个方案，方案一可以实现题目要求，但调试起来比较麻烦，技术要求较高，方案二电路形式简单易行，可快速制作，故采用方案二。
幅频特性测试仪
题目要求我们制作幅频特性测试仪，扫频范围为100Hz～200KHz，频率步进为10KHz，扫频方案我们采用DDS芯片，可以很好的实现线性扫频。
关于检波方案主要有两种：
方案一：先检波后放大的方案，检波放大的方案一般采用峰值检测的方法，检波输出后使用步进分压器，再使用直流放大器放大信号进行测量。
但需注意检波二极管的参数会影响最小信号的分辨能力。
方案二：先放大后检波的方案。
放大检波的方案一般采用均值检测的方法，输入信号先进入步进分压器，经放大后送入均值检波器。
但需注意放大器的带宽会影响测量的信号的频率范围。
我们要测试的频率范围100Hz～200KHz，对放大器增益带宽积的要求不是很高，故我们采用方案二。
第三章各单元模块设计
3．1 放大器模块
可变增益放大器AD603的控制电压与增益呈线性关系，该系统采用AD603的通频带为30 MHz的典型接法。
AD603后由继电器控制接入增益为20 dB的同相放大器，从而实现0～60 dB的增益范围，同时采用16位串口D／A转换器MAX542输出电压控制AD603的增益，其增益步进可达到0．1 dB，最终设定系统的增益步进为10 dB。
电路图如图3-1所示。
图3-1可控增益放大电路图
3．2 滤波器模块如图3-2所示
图3-2滤波器主流程框图
主程序实现设计中要求的低通、高通滤波器和四阶椭圆型低通滤波器功能。
初始化部分要完成单片机外围电路参数设置及LCD主屏显示。
放大器增益参数输入后，系统软件通过调用前置运放增益控制字程序实现给定增益控制，并测试和显示执行结果。
工作参数设置可支持对滤波器工作模式、滤波方式、滤波器各参数因子的设置。
截止频率f步进设置程序可以完成截止频率的输入显示，并调用滤波器参数优化设置子程序，使滤波器达到给定目标频率的目标要求。
3．3 幅频特性测试模块
AD9851由DDS产生0～200 kHz范围内的扫频信号，DDS产生信号的频率稳定度较高，而且信号的频率步进和信号幅值控制方便。
DDS以Nyquist时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成。
DDS 的基本工作原理：每个参考频率fs上升沿到来时，N位的相位累加器值便按照频率控制字K的长度增加一次，输出所得相位值，正弦查找表将相位信息转化为相应的正弦幅度值。
在fs和N一定的情况下，输出波形频率由频率控制字K决定。
以一定步进循环增加频率控制字K，输出频率变化的扫频信号。
扫频信号通过被测网络后，由AD637检测有效值，即利用各个频点通过网络后的有效值在示波器上显示其幅频特性图。
AD637的外围电路简单，而且当输入峰峰值大于2 V时，其测量误差在100 Hz～1 MHz的范围内可忽略。
DDS原理框图，幅频特性测试模块原理框图如图3-3所示。
图3-3
第五章设计总结
本系统设计是基于MAX261的程控滤波器设计方案，通过可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪4各模块，实现了各项设计指标，前级放大器采用可控增益放大器实现0～60 dB的增益变化范围，实现截止频率在1～30 kHz范围内数字可调，程控滤波器部分通过MAX262不同工作方式的设置，实现不同的滤波要求。
同时采用无源LC网络实现四阶椭圆低通滤波器，利用高速D ／A转换器和有效值检波电路实现幅频特性测试仪整个系统的控制和操作采用凌阳单片机SPCE061A来完成。
测试结果可用LCD显示，系统性能良好。
系统设计简单，可较好地实现滤波器的程控，使用方便，具有较高的性价比、实用性和使用价值。
通过本题的具体设计，我们对程控滤波器的整体设计原理及所要用到的各类芯片有了一个系统的认识和掌握，可谓受益匪浅。
当然在设计过程中，我们还发现一些问题和不足，比如在方案论证方面，对于多个可实现同一功能的方案，我们犹豫不决。
通过查阅大量资料及团队探讨，我们最终选择了最易实现的方案。