摘要：基于單片機設計了一種可控放大器程控濾波器,?？煽胤糯蟛糠忠钥煽胤糯笃?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/PGA203" title="PGA203" target="_blank">PGA203為核心，實現(xiàn)輸出增益的動態(tài)調(diào)整,；程控濾波器以開關電容濾波器LMF100為核心,，使用DDS芯片AD9850產(chǎn)生可變的時鐘，實現(xiàn)濾波器的截止頻率可調(diào),；幅頻特性測試儀采用AD9850產(chǎn)生掃頻信號,，AD837進行有效值檢測，TLC5510進行A／D轉換,；以STC12C5A32AD單片機為控制核心,，利用鍵盤數(shù)碼管和液晶屏實現(xiàn)增益和截止頻率的預置，以及測試和顯示功能,。
關鍵詞：PGA203,；LMF100；AD9850,；STC12C5A32AD

1 概述
    濾波器是通信系統(tǒng),、信號處理和數(shù)據(jù)傳送等領域中至關重要的環(huán)節(jié)，尤其在數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中,，其性能好壞直接影響到整個系統(tǒng)的性能,。其中，增益和截止頻率是衡量有源濾波器的重要指標,。為了實現(xiàn)增益和截止頻率可調(diào),，傳統(tǒng)的設計方法是采用調(diào)節(jié)反饋電阻和濾波電容，但要使增益和截止頻率步進可調(diào),，則必須采用新的方法,。
    本文設計的程控濾波器系統(tǒng)性能良好，采用可控放大器PGA203級聯(lián)的方式實現(xiàn)60 dB的增益調(diào)制,，增益6 dB步進可調(diào)(輸入信號電壓振幅為10mV),。對開關電容濾波器LMF100按不同方式級聯(lián)，實現(xiàn)低通,、高通的濾波處理,，其-3 dB截止頻率在1～25 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進為1kHz,；設計的簡易幅頻特性測試儀能自動測量放大器通頻帶,、截止頻率和顯示測試數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)總體設計
    采用雙機通信的方式,。主機主要用來讀鍵盤,、A／D轉換結果,，控制液晶屏和從機。從機接到主機的命令后,，控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生掃頻信號和時鐘信號,，并控制增益大小。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示,。

3 系統(tǒng)硬件設計
3．1 增益放大器
    如圖2所示,，采用4片數(shù)字控制的可編程增益放大器PGA203和TL082相結合來進行增益放大，其中TL082起微調(diào)作用,。為了達到最好的效果,，將濾波器放在3片PGA203和1片PGA203中間，圖2中略,。PGA203的數(shù)控增益范圍是1,、2、4,、8(二進制),，對引腳1(A0)、引腳2(A1)輸入不同的邏輯電平?jīng)Q定PGA203的放大倍數(shù),。

    一片PGA203增益與邏輯電平的關系如表1所列,。經(jīng)過4片PGA203級聯(lián)后，該增益放大器能達到60 dB的增益調(diào)制,，步進為6dB,。

3．2 濾波模塊
    程控濾波器主要用到LMF100。LMF100是美國國家半導體公司生產(chǎn)的,，由兩個相互獨立的通用高性能開關電容濾波器組成的集成電路,。它可以外接時鐘和2～4個電阻，組成各種各樣的帶通,、低通,、高通、帶阻和全通濾波器,。LMF100有12種工作方式,，其中的方式3可以實現(xiàn)高通、低通,、帶通輸出,。為簡化電路，本文的低通和高通濾波都選擇工作在方式3,，用一片LMF100內(nèi)的兩個二階濾波電路級聯(lián)構成四階低通濾波器,，另一片LMF100構成四階高通濾波器，由此設計的低通濾波器電路如圖3所示，高通濾波器只要將連接端從連接1腳(LPA)改為連接3腳(HPA)即可,。

    各參數(shù)的設置如下(將LMF100的12腳接高電平)：
   
    其中,，fc為截止頻率，fclk為時鐘頻率,。令R4=R2=20 kΩ,，則有：
   
    本系統(tǒng)要求低通和高通-3 dB的截止頻率fc為1～25 kHz，由上式可算得fclk的取值范圍為50kHz～1．25MHz,。
   
    濾波器的時鐘信號是由單片機控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生的。AD9850是ADI公司推出的高集成度頻率合成器,。它在接上精密時鐘源和寫入頻率相位控制字之后可產(chǎn)生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出,，此正弦波可直接用作頻率信號源，或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉換為方波輸出,。輸出正弦波頻率fout=M·fc／2N,，其中fc為外部參考時鐘的頻率。在本系統(tǒng)中采用20 MHz的參考時鐘,，通過公式FSM=fout×232／20000 000,，可由單片機計算出頻率控制字FSM。本設計需要的截止頻率fc為1～20 kHz,，由鍵盤鍵入,，通過單片機計算后向AD9850寫入相應的頻率控制字，即可達到控制濾波器截止頻率的要求,。
3．3 幅頻特性測試模塊
    單片機從機控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生掃頻信號,，由AD837對濾波器輸出的信號進行有效值轉換，然后通過A／D轉換芯片TLC5510采樣后輸出給單片機處理,，由單片機主機控制在液晶屏上繪制幅頻特性曲線圖,。
3．4 液晶顯示及鍵盤模塊
    采用I2C接口鍵盤及LED驅動器ZLG7290提供的4x4鍵盤和8個數(shù)碼管，可以通過鍵盤預置截止頻率和放大增益,，利用數(shù)碼管顯示濾波器的工作模式,、截止頻率等各項數(shù)據(jù)。采用液晶顯示模塊LM2068R顯示幅頻特性曲線,。

4 系統(tǒng)軟件設計
    為了解決I／O口不足的問題,，同時體現(xiàn)模塊化的設計思想，采用主機和從機雙機通信的方式,。主機主要用來讀取鍵值,，向從機發(fā)送相應的控制字，并顯示幅頻特性曲線,、增益,、截止頻率等信息。從機開啟串口接收中斷,，接收到主機的控制字后,，在中斷子程序里控制兩片DDS芯片分別產(chǎn)生掃頻信號和濾波器的時鐘信號,，同時，控制PGA203的輸出增益,。主機主程序和從機中斷子程序的流程分別如圖4,、圖5所示。

5 系統(tǒng)性能測試
5．1 放大器測試
    函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度為10 mV的正弦信號送入放大模塊,，在模塊的輸出端口采用模擬示波器測量輸出電壓,，并且進行增益為6 dB的步進調(diào)節(jié)。所得測試數(shù)據(jù)如表2所列,。

5．2 濾波器測試
    濾波模塊分低通和高通兩個部分的測試,。用數(shù)字信號發(fā)生器DG101產(chǎn)生正弦信號輸入，用數(shù)字示波器觀察濾波器的截止頻率,，并對其進行1 kHz的步進測試,。測試數(shù)據(jù)分別如表3和表4所列。

結語
    本文介紹了一種以單片機為控制核心的程控濾波器,。系統(tǒng)能夠達到60dB的增益調(diào)制,，6dB步進可調(diào)，且最大誤差控制在3．75％以內(nèi),；采用DDS技術,，低通和高通濾波的截止頻率在1～25 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，步進1 kHz可調(diào),，且誤差都控制在3％以內(nèi),。幅頻特性測試儀能較好地實現(xiàn)測量和顯示功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,，性能優(yōu)良,，人機交互界面友好，且操作方便,。