1 引言

在許多工程應(yīng)用領(lǐng)域中信號頻率的動態(tài)范圍很寬。某些微機(jī)自動測試中頻率在0．1~1 000 Hz之間變化；在旋轉(zhuǎn)機(jī)械大型水輪機(jī)組的機(jī)械故障診斷和炮口沖擊波壓力場測試以及其他信號采集測量場合其信號頻率在幾赫茲到幾千赫茲之間。因此有必要采用截止頻率可以程控的濾波器|0">濾波器對頻率動態(tài)范圍較寬的信號進(jìn)行濾波。

MAX263是CMOS雙二階通用開關(guān)電容|0">電容有源濾波器，由微處理器精確控制濾波函數(shù)構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波和全通配置，且無需外部元件。MAX262含有2個二階濾波器，在程序控制下可設(shè)置中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和濾波器的工作方式。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括數(shù)字和模擬兩大部分。其中，數(shù)字部分包括單片機(jī)及FPGA中的放大器|0">放大器增益控制、時(shí)鐘頻率生成以及頻率特性測量與顯示3個模塊；而模擬部分包括放大器、濾波器和幅頻特性測試儀3個模塊。其中放大器模塊通過三級放大實(shí)現(xiàn)0～60 dB的增益調(diào)節(jié)，濾波器模塊包括由集成濾波器MAX263構(gòu)成的低通和高通濾波器以及自行設(shè)計(jì)的橢圓濾波器，而幅頻特性測試儀模塊則由DDS掃頻信號源、有效值檢波及A／D轉(zhuǎn)換電路|0">電路構(gòu)成。詳細(xì)的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

3 理論分析與計(jì)算

3．1 可變增益放大器控制信號

選用ADI公司的AD603作為可變增益放大器，該器件的增益與控制電壓的關(guān)系：GAIN(dB)=40Vg+10，Vg為控制電壓，改變范圍為1 V。選用16位D／A轉(zhuǎn)換器MAX542，用于給出雙極性的控制電壓，基準(zhǔn)源取2．5 V，理論上增益步進(jìn)的最小值為0．003 dB。

3．2 開關(guān)電容濾波器

3．2．1 確定濾波器Q值

采用MAXIM公司的集成開關(guān)電容濾波器MAX263，它可以通過外接引腳編程設(shè)置濾波器的Q值。Q值與帶內(nèi)最大增益G(V/V)之間的關(guān)系為C=Q／[1一(1／4Q2)]1/2，為使帶內(nèi)盡量平坦，則使G=1，代入公式可得p=0．707，故可將濾波器的Q值設(shè)置在O．707左右。

3．2．2 頻譜混疊現(xiàn)象

由于時(shí)鐘信號的存在，開關(guān)電容濾波器相當(dāng)于一個采樣系統(tǒng)，滿足奈奎斯特采樣定理。由于MAX263內(nèi)部對時(shí)鐘信號elk二分頻，故clk/4附近及以上的信號都存在頻譜混疊現(xiàn)象，從而使輸出波形產(chǎn)生失真。為了解決這個問題，需要加大clk與截止頻率的比值，使輸入信號的頻段遠(yuǎn)離時(shí)鐘信號所在頻段。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4．1 放大器電路

放大器電路分為三級。第一級采用低噪聲運(yùn)放進(jìn)行固定增益放大，以提高輸入信號的信噪比；中間級采用可變增益放大器AD603，動態(tài)增益范圍為30 dB；后級為兩檔程控放大，增益之差為30 dB，實(shí)現(xiàn)0~60 dB的增益范圍。其電路如圖2所示。

4．2 四階橢圓低通濾波電路

該電路為LC無源電路，如圖3所示。根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)手冊中的歸一化設(shè)計(jì)表格，查表得到所需要的電容電感值。實(shí)際測試結(jié)果為：帶內(nèi)擺幅小于0．5 dB，截止頻率50 kHz左右。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分遵循結(jié)構(gòu)化和層次化的設(shè)計(jì)原則，由主程序及若干子程序構(gòu)成。子程序主要完成放大器增益設(shè)置、濾波器參數(shù)設(shè)置、幅頻特性測試及人機(jī)交互等功能，主程序則通過調(diào)用子程序控制時(shí)序。該程序以按鍵中斷為主線，以各項(xiàng)功能作為分支，程序流程圖如圖4所示。

6 測試結(jié)果

本系統(tǒng)需要測試的數(shù)據(jù)主要是放大器的電壓增益和濾波器一3 dB的截止頻率。測試放大器增益時(shí)，利用毫伏表測出放大器輸入及輸出信號的有效值，將算出的增益與程序預(yù)置值相比較；測試濾波器截止頻率時(shí)，改變輸入信號的頻率，同時(shí)利用毫伏表測出濾波器輸出及輸入信號的有效值，直到兩者之比為一3 dB時(shí)記錄頻率值，然后再與預(yù)置值相比較。對放大器增益的測試。取選100 Hz，1 kHz，40 kHz 3個頻率點(diǎn)來測試放大器增益，將預(yù)置增益和實(shí)際增益相比較。其中100Hz和1 kHz處的增益誤差小于l％，40 kHz處的增益誤差小于2％。

對截止頻率的測試。在給出的10組預(yù)置值中，將實(shí)測值與預(yù)置值進(jìn)行比較。測試結(jié)果表明，低通模式下截止頻率的誤差小于2．2％，高通模式下截止頻率的誤差小于2．5％。

7 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的基本功能和指標(biāo)，并且擴(kuò)展了在示波器上顯示幅頻特性曲線的功能，同時(shí)擴(kuò)大了截止頻率調(diào)節(jié)范圍，縮小了步進(jìn)量。當(dāng)然，本系統(tǒng)還存在某些不足，其中，高通濾波器輸出波形在某些頻率點(diǎn)有較明顯失真；放大器輸出波形在幅值較小時(shí)信噪比較低。