《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單片機控制的程控有源濾波器電路設(shè)計
國外電子元器件》2008年第4期
趙世強 周義健 劉霞
空軍工程大學(xué)
摘要: 有源濾波器廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理、通信、自動控制領(lǐng)域,但設(shè)計可變寬頻帶有源濾波器則比較困難。
Abstract:
Key words :
 

1 引言

有源濾波器廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理、通信、自動控制領(lǐng)域,但設(shè)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(guān)電容有源濾波器,精確設(shè)置有源濾波器的中心頻率fO,品質(zhì)因數(shù)Q及有源濾波器的工作方式。

2 開關(guān)電容有源濾波器工作原理

開關(guān)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(guān)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(guān)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(qū)動T1、T2。時鐘頻率fCLK高于信號頻率。當(dāng)φ1為高電平時,T1導(dǎo)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(dāng)φ2為高電平時,T1截止而T2導(dǎo)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(nèi),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(rèn)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(yīng)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(guān),集成電路工藝制作小容量電容易于實現(xiàn)。當(dāng)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(guān)電容濾波器的基本工作原理。

基于單片機控制的程控有源濾波器電路

3 MAX262簡介

MAX262是美國Maxim公司生產(chǎn)的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器,其引腳功能及內(nèi)部框圖如圖2所示。MAX262內(nèi)部集成有2個結(jié)構(gòu)相同的二階通用開關(guān)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(zhì)可通過D0D1,A0~A3端口線在WR上升沿寫入所選中的內(nèi)部單元來設(shè)置濾波器的工作方式、中心頻率fO以及品質(zhì)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1Hz~140kHz。fCLKA和FCLKB為內(nèi)部開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)所需的外部時鐘,一般為中心頻率fO的幾十至上百倍。

基于單片機控制的程控有源濾波器電路

基于單片機控制的程控有源濾波器電路

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(zhì)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±4.7V。

4 程控有源濾波器硬件電路設(shè)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(dá)10MHz,可向MAX262提供精確的時鐘頻率fCLKA和fCLKB。

基于單片機控制的程控有源濾波器電路

本系統(tǒng)設(shè)計要求濾波器可設(shè)置為低通,其-3dB截止頻率fc在1kHz~20kHz調(diào)節(jié)頻率的步進(jìn)值為1kHz內(nèi)要求在2fc處濾波器幅頻特性下降不小于10dB;同時濾波器可設(shè)置為高通濾波器,其fc范圍及步進(jìn)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10dB。將濾波器A設(shè)置為工作方式1,濾波器B設(shè)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

基于單片機控制的程控有源濾波器電路

經(jīng)計算當(dāng)Q=0.7時,fc=f0,2fc處幅頻增益為-12dB(實測小于-12dB),滿足要求。對于高通濾波器當(dāng)q=0.7時,同樣要求增益在fc=f0處下降3dB,而在0.5fc處幅頻增益為-12dB。根據(jù)參考文獻(xiàn)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(dāng)fO=1kHz時,fCLKB=56.55kHz。

5 程控方式的實現(xiàn)

由MAX262工作原理可知,當(dāng)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(jìn)值為1kHz的程控,只要使fCLKA/fO(或fCLKB/fO)的比值為56.55即可。本電路設(shè)計采用8254可編程計數(shù)器產(chǎn)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(dāng)被設(shè)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(jīng)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(shè)置時,fCLKA/fO或fCLKB/fO僅有64種選擇,顯然精度較低。當(dāng)通過鍵盤輸入fO值后,單片機計算出相應(yīng)的分頻系數(shù)MA、MB寫入8254。若步進(jìn)值為固定值,則將對應(yīng)fO的MA、MB以表格形式進(jìn)行存儲,直接查表即可。

6 結(jié)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(zhì)因數(shù)Q,經(jīng)實際測試效果良好。當(dāng)MAX262作為低通濾波器使用時,為了抑制開關(guān)頻率fCLKA產(chǎn)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。

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