1 引言
有源濾波器廣泛應用于數(shù)字信號處理、通信,、自動控制領域,但設計可變寬頻帶有源濾波器則比較困難,。利用單片機控制參數(shù)可編程的雙二階通用開關電容有源濾波器,精確設置有源濾波器的中心頻率fO,品質因數(shù)Q及有源濾波器的工作方式。
2 開關電容有源濾波器工作原理
開關電容有源濾波器的基本原理是在電路兩節(jié)點之間接具有高速開關的電容器,，等效于兩節(jié)點之間連接一只電阻,。圖1(a)是一個有源RC積分器，圖1(b)是采用一只接地電容C1和CMOS開關T1,、T2替代輸入電阻R1,。圖1(c)是不重疊的兩相時鐘脈沖，用于驅動T1,、T2,。時鐘頻率fCLK高于信號頻率。當φ1為高電平時,，T1導通(視短路)而T2截止(視開路),，此時C1與輸入信號VI相連并充電(如圖1(d)所示)，即有電荷qcl=C1V1,。當φ2為高電平時，T1截止而T2導通,，此時C1與輸入信號VI斷開而接至運算放大器的輸入端,，C1放電，充電電荷qc1傳輸至C2,。每一時鐘周期Tc內,，從信號源提取的電荷qcl=C1VI提供至積分電容器C2。因此,，在節(jié)點1,、2之間流過的平均電流為iav=C1VI/TC。若TC足夠短,，可近似認為這一過程是連續(xù)的,因而可在兩節(jié)點間定義一只等效電阻Req,即Req=VI/iav和Req=Tc/C1,。這樣可得到等效積分器時間常數(shù)τ,，即τ=C2Req=TCC2／C1。顯然,，濾波器頻率響應的時間常數(shù)τ取決時鐘周期TC和電容比值C2／C1,，而與電容的絕對值無關,集成電路工藝制作小容量電容易于實現(xiàn)。當電容比值恒定時,，改變時鐘頻率,，就可改變?yōu)V波器的截止頻率,即開關電容濾波器的基本工作原理。
3 MAX262簡介
MAX262是美國Maxim公司生產的雙二階通用開關電容有源濾波器,，其引腳功能及內部框圖如圖2所示,。MAX262內部集成有2個結構相同的二階通用開關電容有源濾波器及1個獨立的運算放大器OP。這兩個有源濾波器既可獨立使用,，也可串聯(lián)使用,。對濾波器的工作方式，中心頻率fO,，品質可通過D0D1,A0~A3端口線在WR上升沿寫入所選中的內部單元來設置濾波器的工作方式,、中心頻率fO以及品質因數(shù)Q等參數(shù)。詳見表1所列,。其中,，中心頻率fO的范圍為1 Hz～140 kHz。fCLKA和FCLKB為內部開關電容網絡所需的外部時鐘,，一般為中心頻率fO的幾十至上百倍,。
表1中MOM1為工作方式，僅在地址為A3A2A1A0=0000(或1000)時才能寫入,。F0~F5為fO控制字,，Q0~Q6為品質因數(shù)Q的控制字。D0D1=00時為工作方式1,，實現(xiàn)LP(低通),、BP(帶通)、N(陷波)功能：DOD1=01時為工作方式2,，實現(xiàn)區(qū)別于工作方式1的LP(低通),、BP(帶通)、N(陷波)功能,；D0D1=10時為工作方式3,，實現(xiàn)LP、BP,、HP(高通)功能,；D0D1=10時,若使用獨立運放OP為工作方式3A，實現(xiàn)有別于工作方式3的LP,、BP,、HP功能,。D0D1=11時為工作方式4，實現(xiàn)LP,、BP,、AP(全通)功能。MAX262有INA,、INB兩個信號輸入端,，允許最大輸入電壓振幅為±4．7 V。
4 程控有源濾波器硬件電路設計
程控有源濾波器硬件電路框圖如圖3所示,。利用89C51控制鍵盤顯示器8279,、可編程計數(shù)器8254、可編程有源濾波器MAX262,。其中8254是3通道16位可編程計數(shù)器,，計數(shù)時鐘頻率可達10 MHz，可向MAX262提供精確的時鐘頻率fCLKA和fCLKB,。
本系統(tǒng)設計要求濾波器可設置為低通,，其-3 dB截止頻率fc在1 kHz~20 kHz調節(jié)頻率的步進值為1 kHz內要求在2fc處濾波器幅頻特性下降不小于10 dB；同時濾波器可設置為高通濾波器,，其fc范圍及步進值與低通模式相同,，其要求0．5fc處濾波器幅頻特性下降不小于10 dB。將濾波器A設置為工作方式1,濾波器B設置為工作方式3,。二階有源低通濾波器的傳遞函數(shù)為：GL(s)=HOLP[(ω0／(s2+2ω0/Q+ω0)],，(HOLP為直流增益)。令｜GL(s)｜為0．707HOLP處的頻率為fc,則
經計算當Q=0．7時,fc=f0,2fc處幅頻增益為-12 dB(實測小于-12 dB),，滿足要求,。對于高通濾波器當q=0．7時，同樣要求增益在fc=f0處下降3 dB,，而在0．5fc處幅頻增益為-12 dB,。根據(jù)參考文獻提供的數(shù)據(jù)，fCLKA/f0(或fCLKB/f0)的比值必須高于40．84,。濾波器工作在方式1或方式3時,，fCLK/f0=[π(26+N1)]/2，N1為F0~F5的值,，取N1=10,，則fCLK/fO=56．55,。Q=64／(128-N2),，因為Q=0．7，所以N2=Q0～Q5=37,。當fO=1 kHz時,fCLKB=56．55 kHz,。
5 程控方式的實現(xiàn)
由MAX262工作原理可知,，當工作方式、F0～F5,、Q0～Q5值寫入MAX262后,，若要對濾波器的工作頻率fO實現(xiàn)步進值為1 kHz的程控，只要使fCLKA/fO(或fCLKB/fO)的比值為56．55即可,。本電路設計采用8254可編程計數(shù)器產生fCLKA和fCLKB,。8254是3通道16位可編程計數(shù)器，最高計數(shù)脈沖頻率fCLK為10MHz,，當被設置為工作方式3時為方波發(fā)生器輸出,通道0的輸出作為fCLKA,，通道1的輸出作為fCLKB。由于8254是16位可編程計數(shù)器,，經其分頻后輸出方波的頻率fCLKA和fCLKB對fO的比值接近56．55,，若fCLKA、fCLKB為固定值,，用F0～F5的設置時,fCLKA/fO或fCLKB/fO僅有64種選擇,，顯然精度較低。當通過鍵盤輸入fO值后,，單片機計算出相應的分頻系數(shù)MA,、MB寫入8254。若步進值為固定值,，則將對應fO的MA,、MB以表格形式進行存儲，直接查表即可,。
6 結束語
基于單片機控制的可編程有源濾波器可實現(xiàn)低通,、高通、帶通,、陷波,、全通濾波器。在程序控制下可精確地改變?yōu)V波器的帶寬,、中心頻率及品質因數(shù)Q,，經實際測試效果良好。當MAX262作為低通濾波器使用時,，為了抑制開關頻率fCLKA產生的噪聲,，可在濾波器的輸出端串聯(lián)一個截止頻率小于最低fCLKA的連續(xù)時間的低通濾波器,其效果更好。