選用集成運放構(gòu)成比例運算電路，這里對運放的增益帶寬積有一定的要求。根據(jù)增益帶寬積為常數(shù)的原理，可先確定單位增益帶寬，選擇出運放。再根據(jù)增益的步進值定出各個反饋電阻的值，利用模擬開關(guān)選通各個電阻，從而實現(xiàn)增益的步進可調(diào)。
2.程控濾波器部分
采用集成芯片MAX264構(gòu)成濾波器。這種濾波器可通過選擇工作模式實現(xiàn)低通、高通、帶通三種濾波方式。其低通、高通截止頻率可通過編程設(shè)置，低通截止頻率可高達140kHz,但這種濾波器需要根據(jù)參數(shù)確定時鐘頻率，且傳輸函數(shù)較為煩瑣，可通過編軟件進行模擬實現(xiàn)。該集成器件有些引腳需要正負5伏供電，所以需要電平轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)軟件編程較為簡單，硬件不太復雜。
三、系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
四、理論分析與計算
1.放大器增益
放大器部分采用AD620、模擬開關(guān)和精密可調(diào)電阻構(gòu)成
根據(jù)公式： Rg=49.4K/(G-1)
即： G=49.4K/Rg+1
用單片機控制模擬開關(guān)的三個輸入端以控制所選擇的電阻從而達到 10db~60db增益可調(diào)的目的，且精度較高。
2.濾波器的截止頻率
MAX264 內(nèi)集成了設(shè)計濾波器所需的電阻電容，在應用中幾乎不用外接器件，使用非常簡單，其中心頻率、Q值及工作模式都可以通過對引腳編程控制，它可以工作于帶通、低通、高通、帶阻或是全通模式,時鐘輸入(外接時鐘信號或晶振)和5比特編碼控制可以精確地設(shè)置中心頻率及Q值(0.5～64)。通過減小fclk/f比值，可使其通帶截止頻率達140kHz。
五、理論分析與計算
1.放大器增益
放大器部分采用AD620、模擬開關(guān)和精密可調(diào)電阻構(gòu)成。
根據(jù)公式： Rg=49.4K/(G-1)
即： G=49.4K/Rg+1
用單片機控制模擬開關(guān)的三個輸入端以控制所選擇的電阻從而達到 10dB~60dB增益可調(diào)的目的，且精度較高。
2.濾波器的截止頻率
MAX264 內(nèi)集成了設(shè)計濾波器所需的電阻電容，在應用中幾乎不用外接器件，使用非常簡單，其中心頻率、Q值及工作模式都可以通過對引腳編程控制，它可以工作于帶通、低通、高通、帶阻或是全通模式,時鐘輸入(外接時鐘信號或晶振)和5比特編碼控制可以精確地設(shè)置中心頻率及Q值(0.5～64)。通過減小fclk/f比值，可使其通帶截止頻率達140kHz。
低通濾波模式下由MUX264資料給出：
由上述四個獨立變量fc、fclk、N、Q的關(guān)系式可知，只要fc、fclk、N、Q確定，則截止頻率fc即可確定，所以要滿足在1kHz~20kHz范圍內(nèi)可以步進1kHz的要求，即可通過改變MAX264的輸入時鐘頻率fclk,編程設(shè)置Q端和F端來實現(xiàn)。但參數(shù)的不同選擇要影響到系統(tǒng)中硬件與軟件所占比例，其中fclk的變化要由時鐘頻率變換電路實現(xiàn), 用單片機控制N、F，同時還需要邏輯電平轉(zhuǎn)換電路。在參數(shù)的選擇中，盡量發(fā)揮軟件的靈活性，使硬件電路容易實現(xiàn)。依據(jù)公式，借助計算機計算得到滿足要求的各組理論解，我們選擇兩個時鐘輸入頻率提供給MAX264，再選擇N、F來實現(xiàn)截止頻率fc在1kHz~20kHz范圍內(nèi)步進1kHz的要求，低通，高通參數(shù)選擇值列表（見表3、表4）。
3.f=2fc處總增益理論計算
經(jīng)查MAX264的使用說明，其內(nèi)部兩個獨立濾波電路都為二階，且在其通帶內(nèi)的濾波信號放大增益為0dB，故在放大器增益為40 dB時，f=2fc處總增益為：
低通濾波時: G=40 dB -3 dB -40 (dB/dec)*(2/10)=29 dB
所以理論計算滿足設(shè)計要求。
高通濾波時: G=40 dB -3 dB＋40 (dB/dec)*(－2/10)=29 dB
所以理論計算滿足設(shè)計要求。
六、單元電路及程序設(shè)計
1.放大器
本放大器采用集成運放AD620 ，見圖2。
2.程控濾波器
MAX264可以不加外部元件或加少量外部元件就可以實現(xiàn)低通、高通、帶通、陷波器, 該芯片的引腳分布見圖3。
利用MAXIM 公司生產(chǎn)的CMOS開關(guān)電容濾波器MAX264設(shè)計的鎖相跟蹤帶通濾波器, 電路簡單,工作可靠,具有很高的實用價值。MAX264內(nèi)部含有2 個獨立的二階開關(guān)電容帶通濾波器,它有12個可編程輸入端,其中5個用來設(shè)置濾波器中心頻率,另外7個用來設(shè)置濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q ,因此,不需要外加任何元件，僅需要外部時鐘就可以實現(xiàn)帶通濾波功能，使用極為方便。對M0、M1兩個引腳編程可使芯片工作于模式1、2、3、4幾種方式。
模式1：當實現(xiàn)全極點低通或帶通濾波器(如：切比雪夫、巴特沃斯濾波器)時這種模式是很有用的，有時該模式也用來實現(xiàn)帶阻濾波器，但由于相關(guān)零極點位置固定，使得用作帶阻時受到限制。
模式3：只有該模式下可實現(xiàn)高通濾波器，該模式下最高時鐘頻率低于模式1。
MAX264與單片機接口電路如圖4所示。
圖4 單片機接口電路
3.程序設(shè)計流程圖
程序流程如圖5所示。
七、測試方案與結(jié)果分析
1.測試條件
示波器：YUANLONG oscilloscope VD422M 40MHz.
函數(shù)信號發(fā)生器：SNING su3015 DDS 15MHz.
直流穩(wěn)壓電源：金盾 JWY—30G.
萬用表：VICTOR vc890c+.
2.測試方案
首先針對放大模塊，當輸入低頻和高頻信號時測量放大后的電壓值和上下限截止頻率，計算放大器增益與通頻帶是否符合題目要求；然后將每一級放大后的信號送入濾波器，分別設(shè)置為低通和高通模式，在截止頻率1kHz～20kHz可調(diào)的范圍內(nèi)分別測試其總的電壓增益和實際截止頻率。
3.放大模塊測試
輸入電壓：10mv，當輸入低頻信號，信號放大倍數(shù)AU與下限頻率Fl的關(guān)系測量值如表1：
當輸入高頻信號，信號放大倍數(shù)AU與的上限頻率Fh關(guān)系測量值如下表：
4.濾波器模塊測試條件及結(jié)果
條件：用示波器觀察輸出信號波形不失真，輸出端接負載RL=1K。從示波器中得到各信號頻率值，用萬用表交流檔測量輸入信號頻率變化過程中幅值衰減情況，記錄各數(shù)據(jù)得到截止頻率。
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