《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MSP430和MAX262程控濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
電子市場(chǎng)
摘要: 本文介紹以低功耗單片機(jī)MSP430F449為控制核心,通過(guò)凌特公司數(shù)字頻率源芯片LTC69034產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)精確控制MAX262,以及其與外圍電路構(gòu)成能實(shí)現(xiàn)多種功能的新穎濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)最大特點(diǎn)在于數(shù)字頻率源LTC6903與MAX262的結(jié)合使用,以及MSP430具有的低功耗功能,當(dāng)系統(tǒng)超過(guò)一定時(shí)間沒(méi)信號(hào)輸入時(shí)程序可以自動(dòng)關(guān)閉CPU進(jìn)入節(jié)能省電模式。
Abstract:
Key words :

     在電子系統(tǒng)中,濾波器是數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理等方面不可缺少的重要環(huán)節(jié),如信號(hào)采集前的噪聲濾除,D/A轉(zhuǎn)換輸出的“階梯狀”濾波等等。一般的有源濾波器由運(yùn)算放大器、RC元件組成,但這種濾波器的截止頻率、Q值等參數(shù)都是固定不變的,在某些信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍較寬的場(chǎng)合就不適宜使用。因此,有必要采取多種截止頻率的濾波器,如程控濾波器,對(duì)動(dòng)態(tài)范圍較寬的信號(hào)進(jìn)行濾波。美國(guó)Maxim公司生產(chǎn)的可編程濾波器芯片MAX262可以通過(guò)編程進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、陷波等處理,且濾波的特性參數(shù)如中心頻率、品質(zhì)因素等,均可以通過(guò)程序設(shè)置。

  本文介紹以低功耗單片機(jī)MSP430.html" target="_blank">MSP430F449為控制核心,通過(guò)凌特公司數(shù)字頻率源芯片LTC69034產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)精確控制MAX262,以及其與外圍電路構(gòu)成能實(shí)現(xiàn)多種功能的新穎濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)最大特點(diǎn)在于數(shù)字頻率源LTC6903與MAX262的結(jié)合使用,以及MSP430具有的低功耗功能,當(dāng)系統(tǒng)超過(guò)一定時(shí)間沒(méi)信號(hào)輸入時(shí)程序可以自動(dòng)關(guān)閉CPU進(jìn)入節(jié)能省電模式。

  1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

  系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示,VCA810程控放大器作為信號(hào)輸入的前級(jí)放大,其增益由單片機(jī)控制D/A芯片TLV5616輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié),步進(jìn)精度可達(dá)1 dB,范圍在-40~40 dB。濾波模塊以可編程芯片MAX262作為核心,通過(guò)單片機(jī)MSP430和LTC69034程控時(shí)鐘信號(hào)芯片進(jìn)行截止頻率的低步進(jìn)調(diào)節(jié)以及品質(zhì)因素的智能控制。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

  本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一在于MSP430具有低功耗性能,當(dāng)系統(tǒng)末級(jí)超過(guò)一定時(shí)間沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)輸入時(shí),程序?qū)⒆詣?dòng)關(guān)閉CPU并處于低功耗狀態(tài),直到有信號(hào)輸入為止。這樣的設(shè)計(jì)能使系統(tǒng)更為節(jié)能,防止無(wú)用地消耗能源。此外,系統(tǒng)附加了幅頻特性測(cè)試模塊,掃頻信號(hào)由AD公司的AD9851來(lái)產(chǎn)生,頻率步進(jìn)精確到1 kHz。當(dāng)信號(hào)從被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出后通過(guò)AD637檢測(cè)到有效值,再采用MSP430F449內(nèi)部集成的A/D模塊進(jìn)行采樣處理,最后驅(qū)動(dòng)雙口D/A在液晶顯示幅頻特性曲線。

  2 硬件電路

  2.1 前級(jí)放大模塊

  系統(tǒng)前級(jí)采用VCA810程控放大芯片,該芯片具有-40~40 dB增益連續(xù)可調(diào)的放大功能,其增益可由單片機(jī)控制D/A芯片TLV5616輸出電壓Vc給VCA810的3號(hào)引腳來(lái)調(diào)節(jié),具體增益與電壓的關(guān)系為:G(db)=-40·(Vc+1)dB。

  如圖2所示,信號(hào)輸入系統(tǒng)經(jīng)過(guò)同相放大后輸出給后級(jí),由于VCA810具有較寬的增益調(diào)節(jié),對(duì)輸入信號(hào)幅度要求較小,可以根據(jù)實(shí)際的信號(hào)大小來(lái)控制放大器的增益倍數(shù),因此本系統(tǒng)可以用于小信號(hào)的濾波。此外,VCA810的帶寬為25 MHz,故輸入的信號(hào)可以達(dá)到較高的頻率,大致可實(shí)現(xiàn)寬帶的放大濾波功能。在調(diào)試過(guò)程中,由于VCA81 0控制引腳對(duì)噪聲要求較高,尤其3號(hào)GAIN引腳對(duì)電壓波動(dòng)范圍需要在mV級(jí)別以內(nèi),因此必須在靠近VCA810的3號(hào)腳加上鉭電容10μF與0.1μF并聯(lián)進(jìn)行去耦,否則輸出的信號(hào)效果比較差。

前級(jí)VCA81程控放大電路

圖2 前級(jí)VCA81程控放大電路

  2.2 濾波疊模塊

  MAX262具有A、B兩個(gè)二階開(kāi)關(guān)電容有源濾波器,它由單片機(jī)精確控制濾波函數(shù)即可構(gòu)成低通、高通、帶通、帶阻等濾波器,且有外圍電路少、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。MAX262可在程序控制下設(shè)置中心頻率fo,品質(zhì)因素Q以及濾波器的工作方式。截止頻率調(diào)節(jié)可有兩種方式,方案1是固定fCLK與fo的比率,改變fCLK來(lái)調(diào)節(jié);方案2是外部電路采用固定晶振給CLK時(shí)鐘,改變fCLK與fo的比率關(guān)系來(lái)調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)低步進(jìn)調(diào)節(jié),故采用前者方案。

MAX262模塊外圍電路圖

圖3 MAX262模塊外圍電路圖

  如圖3所示,為了得到穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)源,本設(shè)計(jì)采用凌特公司LTC69034產(chǎn)生可控的時(shí)鐘信號(hào)給MAX262的CLKA與CLKB引腳。其輸出時(shí)鐘頻率由以下公式?jīng)Q定;f=2oct·207 8/(2-DAC/1024)Hz。由于LTC69034輸出頻率步進(jìn)精度高,時(shí)鐘信號(hào)幅頻非常穩(wěn)定,在高頻段可達(dá)到10kHz的步進(jìn)。假設(shè)需要固定MAX262的fCLK與fo比率為100.53倍關(guān)系,故濾波器截止頻率可在100Hz~40kHz之間以100Hz為連續(xù)步進(jìn)調(diào)節(jié)。

  此外,在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)若直接將MSP430控制信號(hào)與MAX262連接,會(huì)對(duì)濾波器輸出信號(hào)帶來(lái)較大的噪聲影響,因此在本設(shè)計(jì)中在MSP430與濾波器之間加上一級(jí)74HC573作為緩沖器,片選引腳OE由WR來(lái)控制,這樣濾波器輸出的信號(hào)效果得到了大大改善。

  2. 3 幅頻特性測(cè)試模塊

  本系統(tǒng)附加了幅頻特性測(cè)試擴(kuò)展功能。如圖4所示為該模塊的原理框圖。當(dāng)選擇幅頻特性測(cè)試菜單后,MSP430驅(qū)動(dòng)DDS集成芯片AD9851產(chǎn)生正弦信號(hào)進(jìn)行掃頻,經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后再由有效值檢測(cè)電路進(jìn)行測(cè)量。由于二極管峰值檢波電路在低頻段無(wú)法測(cè)試,故本設(shè)計(jì)采用集成芯片AD637進(jìn)行有效值檢波,該芯片可在較低頻率段精確測(cè)量,最高頻率可達(dá)到8 MHz,完全滿足設(shè)計(jì)要求,檢波模塊輸出后經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部集成A/D模塊采樣后,再由MSP430驅(qū)動(dòng)雙口D/A芯片TLV5618輸出并在液晶顯示幅頻特性曲線。

幅頻特性測(cè)試模塊原理框圖

圖4 幅頻特性測(cè)試模塊原理框圖

  3 軟件設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程如圖5所示,上電后MSP430開(kāi)始從系統(tǒng)末級(jí)通過(guò)AD采樣判斷是否有信號(hào)輸入。當(dāng)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間仍沒(méi)有信號(hào)時(shí),程序?qū)㈥P(guān)閉CPU,進(jìn)入低功耗模式;若測(cè)得有信號(hào)輸入則利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶顯示Mode功能菜單,等待輸入選擇濾波器類型、前級(jí)程控放大器增益倍數(shù)以及濾波器的Q值、截止頻率等各種參數(shù),通過(guò)計(jì)算后對(duì)MAX262傳輸中心頻率與品質(zhì)因素?cái)?shù)據(jù)。若用戶開(kāi)始菜單選擇幅頻特性測(cè)試儀,則由MSP430程序驅(qū)動(dòng)AD9851產(chǎn)生掃頻信號(hào),經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后再由MSP430F449內(nèi)部集成A/D模塊采樣有效值A(chǔ)D637的輸出,通過(guò)計(jì)算并顯示采樣結(jié)果,得出幅頻特性曲線,并在液晶上顯示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程

圖5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程

  4 系統(tǒng)性能測(cè)試

  1)幅頻特性測(cè)試模塊性能測(cè)試

  單片機(jī)控制9851產(chǎn)生掃頻信號(hào),通過(guò)示波器觀察濾波器幅頻特性,將實(shí)測(cè)結(jié)果與幅頻特性測(cè)試模塊所得到的結(jié)果相比較,截止頻率在100 Hz~40 kHz之間幅頻特性測(cè)試誤差在1%以內(nèi)。

  2)Q值調(diào)節(jié)測(cè)試

  Q值可由編程數(shù)據(jù)Q0~Q7控制,每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的Q值,在100 Hz~40 kHz之間設(shè)置不同的截止頻率,改變編程數(shù)據(jù)Q0~Q7,然后通過(guò)幅頻特性測(cè)試算得Q值與理論值誤差在2%以內(nèi)。

  3)截至頻率控制性能測(cè)試

  通過(guò)改變MAX262的時(shí)鐘信號(hào)頻率fCLK和頻率控制字N來(lái)實(shí)現(xiàn),設(shè)N為固定值,則截止頻率由時(shí)鐘頻率fCLK決定,fCLK由MSP430單片機(jī)控制數(shù)字頻率源LTC69034產(chǎn)生。經(jīng)試驗(yàn)證明,LTC69034輸出頻率步進(jìn)精度高,在高頻段也可以達(dá)到10 kHz的步進(jìn),固定MAX262的fCLK與fo比率為100.53倍關(guān)系,測(cè)得濾波器的截止頻率可以在100 Hz~40 kHz之間以100 Hz為連續(xù)步進(jìn)調(diào)節(jié),誤差小于1%。

  4)功耗測(cè)試

  在實(shí)際電路系統(tǒng)功耗測(cè)試,整個(gè)系統(tǒng)在工作狀態(tài)下功耗小于60 mW,低功耗模式下功耗小于10 mW,極大地降低了系統(tǒng)功耗。此款低功耗程控濾波器滿足手持式裝置的低功耗要求,因此在現(xiàn)實(shí)設(shè)備中具有較大的應(yīng)用前景。

  5 結(jié)束語(yǔ)

  本系統(tǒng)基于MSP430F449單片機(jī)完成對(duì)可編程濾波器MAX262的控制,能很好地實(shí)現(xiàn)各種有源濾波器的設(shè)計(jì)工作。這種程控濾波器使用靈活、工作穩(wěn)定、信號(hào)輸出效果好,使用者可根據(jù)實(shí)際需要自行設(shè)置濾波器的Q值、截止頻率、工作方式等。系統(tǒng)采用LTC69034可控時(shí)鐘芯片,讓濾波器的截止頻率可以100Hz低步進(jìn)調(diào)節(jié),適用范圍更廣。前級(jí)程控放大器可達(dá)到40 dB的最大增益,故本設(shè)計(jì)可以輸入較小的信號(hào),且最小增益步進(jìn)精度可為1 dB,可由使用者自定設(shè)置。系統(tǒng)還擴(kuò)展了幅頻特性測(cè)試模塊并在液晶顯示特性曲線。此外,MSP430具有低功耗特點(diǎn),在系統(tǒng)超過(guò)一定時(shí)間不工作時(shí)可自行關(guān)閉CPU以節(jié)能省電,這也是本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)之一。

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