程控滤波器

程控滤波器（D题）

设计者：吴远全徐裕勇廖静很指导老师：余旺新闭吕庆

摘要：本系统用引脚可编程开关电容滤波器MAX264来实现程控滤波器，利用DDS产生精确外部时钟来实现fc在1KHz到40KHz步进可调。根据开关电容滤波器MAX264的采样误差进行软件非线性失真补偿技术，使的系统获的较好的整机性能。在放大器和滤波器输入端，我们采用LMH6321做电压跟随器提高输入阻抗，加上可编程增益音频运放PGA2310和LM3886来实现0.5dB步进增益达到60dB的放大。DDS扫频,峰值检测，实现简易幅频特性测试仪。整个系统用高档单片机ATMega128作主控，128×64液晶可以设置参数显示，还可以显示幅频特性曲线。整个系统易于控制，人机交互界面友好。

关键词：开关电容滤波，MAX264，程控放大，DDS，MA TLAB

Abstract：The system is capable of using pin programmable filter MX264 to realize the

Digital Programmable Filter, and using DDS to realize stepping adjust of fc ranging from 1KHz to 20KHz with accurate outer timer respectively. Improving whole performance with the technology of Nonlinear Distortion Compensation in accordance with simple error of switched cap fliter MAX264. The input block of amplifier and filter,which have a protective circuit employs high-speed voltage feedback amplifier LMH6321 as a follower to increase the input resistance，together with rammable gain audio amplifier PGA2310 and LM3886 enable the system to realize the step dB 0.5 and the gain of up-to-60dB. Use DDS sweep and peak-value measure together to create instrument for amplitude-frequence characteristic. The system uses high-quality single-chip A TMega128 as master controller. 128×64 LCD is used to fix the parameter display and demonstrate amplitude-frequence curve. The whole system is easy to operate and friendly to operators.

Key words: Switched Cap filter, MAX264, programmable amplifier , DDS，MA TLAB

一、方案论证

1、程控放大部分

方案一：利用运算放大器外加模拟开关选择反馈电阻以控制增益，考虑到要放

大60dB＝1000倍，为了防止自激振荡，需用几级级联放大，且由于电阻的误差

和电路复杂将会带来控制的复杂和系统的不稳定，故我们不采取此方案。

方案二：利用集成数字可编程运算放大器。由于它的增益控制全部由数字控制，

不用外接电阻，而且控制简单，电路稳定。故采用此方案。

2、程控滤波部分

方案一：用FPGA＋DSP＋AD进行数字软件滤波，其精度大大满足系统要求。

但是由于软件复杂，在短时间内有可能作不出好的作品来。故不采用此方案。

方案二：用DDS+开关电容滤波器电路，进行开关电容滤波，由于DDS时钟的

稳定性和滤波器的集成性，此电路简单，控制简单，易于制作。故我们采用此

方案。

图A-1-1：系统总体框图

三、系统各主要部分的理论分析和实际设计

1．A tmega128单片机最小系统模块设计（见附件电路图）

2．程控放大部分(详细硬件电路图见附件B、C)

电压增益原理

PGA2310的基本增益可以用下式算出：

Gain(dB) = 31.5-[0.5*(255-N)]

其中，N是写入PGA2310寄存器的值，通过写入不同的N值，可以获的从31.5dB到-95.5dB的增益或衰减，可精确到0.5dB的步进，且其20dB的带宽达到200KHZ。考虑到题目要求的增益带宽和防止由于放大倍数过大而引起自激现象，采用编程增益放大＋固定增益放大的模式。由于PGA2310内部集成两个可编程运放，所以由内部两个运放级联起来以5dB步进组成衰减－20dB到放大40dB的编程增益放大。外加大功率功运放LM3886实现20dB的固定放大。则程控放大增益计算为：

Gain（dB）＝PGA2310_Gain（dB）＋20dB

其中，Gain（dB）为系统总增益，20dB为LM3886的固定增益。

图C-2-1给出了编程运放的部分电路：（LM3886电路图见附件）

图C-2-1：PGA2310可编程放大电路

3．程控滤波器部分（详细硬件电路图见附件D）

本设计采用引脚可编程的开关电容滤波器MAX264，外加CD4511模拟开关可进

行高通和低通模式选择。由DDS AD9851产生稳定的抽样时钟。开关电容滤波器

是利用开关电容网络构成的滤波器，它的工作原理是：利用MOS开关电容来模拟

有源滤波器中的阳性元件，其等效模拟电阻值受外部时钟频率控制，改变外部时

钟频率就可改变R、C时间常数，从而达到改变滤波器截止频率的目的。图C-3-2

为一阶开关电容滤波器。

图C-3-1：一阶开关电容滤波器

在一个时钟周期内总转移电荷为：q=C1×Vin,平均输入电流为：Iin= C1×Vin

×Fclk，则C1的等效模拟电阻为：Rin=1／(C1×Fclk)，开关电容滤波器的传递

函数为：H(S)＝Y(S)／X(S)一C1×fclk=／SC，时间常数为：t= Rin×C＝C／(C1

×Fclk)，即开关电容滤波器的时间常数与两个电容之比和外部时钟频率有关。

MAX264芯片上有2个相同的二阶开关电容滤波器。可编程设计为高通、带通和低

通模式。我们把两级级联起来构成四阶滤波器，用CD4511模拟开关选通高通、带

通和低通模式。硬件设计电路如图C-3-3所示:

图C-3-3：MAX264硬件电路

开关电容需要的精确的外部时钟频率由DDS芯片AD9851来产生(DDS电路图见附