濾波器在數(shù)據(jù)采集、信號處理和通信系統(tǒng)等領域有著廣泛的應用,。在信號頻率動態(tài)范圍較窄的場合,，設計固定截止頻率的濾波器，人們已積累了豐富的資料,。但在許多應用場合,，信號頻率變化范圍較大，要求設計具有不同截止頻率的濾波器,，用以實現(xiàn)程控濾波功能,。
    目前設計程控濾波器主要有以下三種方法。第一種方法是以電阻,、電容和普通運算放大器構成有源RC濾波器,，并且通過模擬開關或數(shù)字電位器改變電阻網(wǎng)絡的值來實現(xiàn)程控功能[1]。其缺點是工作頻率較低,，且截止頻率不能連續(xù)調節(jié),。第二種方法是采用現(xiàn)有的集成濾波器芯片[2-3]，例如MAXIM公司的26X,、27X,、29X系列開關電容濾波器芯片，這類芯片的特點是濾波功能全,，且穩(wěn)定性較好,，截止（或中心）頻率可程控(一般在200 kHz以內)，但電路噪聲較大,，往往還需要增加平滑濾波。最后一種方法是,，利用ADC對信號進行采樣,，經DSP芯片數(shù)字濾波后再由DAC輸出[4]，使用這種方法濾波器截止頻率主要受ADC/DAC速度限制,。用上面三種方法設計的程控濾波器,，都有一個共同的缺點，即濾波器的截止頻率不高,，一般在幾百赫茲到幾百千赫茲之間,。
    本文設計的由模擬乘法器、電流反饋運算放大器,、可編程電阻網(wǎng)絡及其電容構成的二階低通濾波電路,，具有截止頻率高的特點，通過主控電路調節(jié)數(shù)模轉換電路的輸出電壓和低通濾波電路可編程電阻網(wǎng)絡的值,，實現(xiàn)截止頻率的連續(xù)調節(jié),，在頻率特性,、動態(tài)范圍等方面較之由普通運算放大器組成的電路具有更優(yōu)良的特性，有效地解決了普通有源RC濾波器截止頻率低,、高頻性能不良的問題,，適用于信號頻率范圍寬、速度高以及需要智能處理的場合,。
1 硬件電路設計
1.1 系統(tǒng)結構框圖
    寬頻程控二階濾波器系統(tǒng)結構框圖如圖1所示,，它由主控電路、二階低通濾波電路,、數(shù)模轉換電路,、鍵盤顯示電路四部分組成。主控電路采用性價比較好的89S52單片機作為主控芯片,；二階低通濾波電路是由模擬乘法器,、電流反饋運算放大器、可編程電阻網(wǎng)絡及其電容構成,，其中模擬乘法器的一個輸入端與數(shù)模轉換電路輸出端連接,，和主控電路一起構成壓控低通濾波單元；鍵盤顯示電路用來設置濾波器的截止頻率并送顯示,。

1.2 基于乘法器和電流反饋運算放大器的二階低通濾波電路
1.2.1電流反饋放大器及其特性
　　電流反饋放大器(CFA)采用電流模技術和高速帶寬技術,，具有很高的轉換速率(SR)和較寬的帶寬(BW)，因此用CFA代替普通運算放大器實現(xiàn)的電路[5-6],，能進一步提高電路的動態(tài)特性和頻率特性,。其端口電壓、電流關系可用如下矩陣表述：
 
    由其端口特性可知,，CFA的X,、Y、Z端的電壓關系與普通運算放大器的端口特性完全相同,。用CFA實現(xiàn)的反相積分器與阻尼積分器如圖2(a),、圖2(b)所示。

     
    由式（2）和式（3）可以看出,，用CFA實現(xiàn)的積分單元電路與普通運算放大器實現(xiàn)的積分單元電路傳遞函數(shù)完全相同,。因此，可以將其用于有源RC濾波器的設計,。
1.2.2 寬頻二階壓控低通濾波電路的設計
    寬頻二階低通濾波電路采用四象限模擬乘法器MLT04和電流反饋型運算放大器AD844,，并在外圍輔以少量的RC網(wǎng)絡實現(xiàn)，如圖3所示,，低通濾波電路的控制信號Vx從MLT04引腳4輸入,乘法器的輸出信號為：
 

    AD844具有高的轉換速率和較寬的帶寬,，且其帶寬和增益之積不為定值。例如,，由AD844組成的放大器增益為-1時,帶寬為60 MHz,；當增益為-10時,，帶寬為33 MHz；增益為+100時,，帶寬為9 MHz,。
　圖3中電路子圖S0、S1,、S3,、S4是由雙向模擬開關CD4066組成的可編程電阻網(wǎng)絡,其中S0如圖4所示。分別將S0,、S1、S3,、S4的輸出電阻記為R0,、R1、R3,、R2,則U3(AD844),、R0、R1,、R2和C1組成阻尼相加積分器,U4(AD844),、R3和C2組成反相積分器。由于其傳遞函數(shù)與普通運算放大器構成的反相積分器和阻尼積分器的傳遞函數(shù)相同,，所以可以直接采用替換法把由普通運算放大器實現(xiàn)的積分電路用AD844實現(xiàn)的積分單元電路代替[7],，并且較之由普通運算放大器實現(xiàn)的電路具有更好的交流特性。

    在該電路中,，電壓控制信號Vx從MLT04的引腳4輸入,，濾波信號從Vin端輸入，經濾波后的信號Vo從AD844的6引腳輸出,，可得到該濾波器的傳輸函數(shù)：

1.3 數(shù)模轉換與鍵盤顯示電路的設計
    MAX515是一款10位串行DAC,，其電壓輸出引腳Vout與MLT04的4引腳連接，提供控制電壓Vx,。
    BC7281是一款8位/16位LED數(shù)碼管顯示及鍵盤接口專用控制芯片，通過外接移位寄存器可以最多控制16個數(shù)碼管,，同時可擴展最多64個按鍵矩陣鍵盤,。在本文中，采用4×4鍵盤設置所需的濾波器截止頻率,，并通過6位數(shù)碼管顯示,。以上兩部分電路不再贅述。
2 軟件設計
    程序流程圖如圖5所示,系統(tǒng)上電完成器件初始化后,，若需要設置二階低通濾波器的截止頻率,，可以從鍵盤直接鍵入精確到小數(shù)點后1位的數(shù)字頻率值,。由于某一截止頻率可能對應多組不同的可編程電阻網(wǎng)絡值和控制電壓值Vx，因此在程序中可以設置不同的電阻網(wǎng)絡值和控制電壓值,，以獲得不同的Q值,。

3 實驗結果
　　在實驗中，選取C1=C2=C=50 pF,，單片機選通可編程電阻網(wǎng)絡,，并且設置控制電壓Vx，測得該二階濾波電路的截止頻率fc,，如表1所示,。

    比較分析以上結果可知，該濾波器通過調節(jié)可編程電阻網(wǎng)絡和控制電壓Vx的值,，實現(xiàn)了截止頻率的連續(xù)調節(jié),，具有調節(jié)范圍寬、精度較高的特點,。但在頻率較低時,，截止頻率誤差較小，隨著截止頻率的增大,，誤差也呈增大趨勢，這主要考慮以下幾個方面因素：數(shù)模轉換精度不高導致控制電壓Vx有誤差,；芯片帶寬的限制,；電路分布參數(shù)的影響。
    本文設計實現(xiàn)的寬頻二階程控濾波器,，由模擬乘法器、電流反饋運算放大器,、可編程電阻網(wǎng)絡及電容組成，實現(xiàn)了截止頻率100 Hz~3 MHz的連續(xù)可調,，充分利用了乘法器和電流反饋運算放大器的優(yōu)點,，具有截止頻率調節(jié)范圍寬、信號處理速度高等特點,。同時，用戶也可根據(jù)所需要的截止頻率范圍,，選擇不同的乘法器和運算放大器,。例如，要使濾波器的截止頻率達到50 MHz時,，乘法器可選擇AD835,，運算放大器可選擇OP260,。因此，該濾波器適用于信號頻率范圍寬,、速度高以及需要智能處理的場合,，具有良好的應用前景。
參考文獻
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