測量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號中,往往包含有噪聲和許多與被測量無關的信號,并且原始的測量信號經傳輸、放大、變換、運算及各種其他的處理過程,也會混入各種不同形式的噪聲,從而影響測量精度。這些噪聲一般隨機性強,很難從時域中直接分離,但限于其產生的機理,其噪聲功率是有限的,并按一定的規(guī)律分布于頻域某一特定的頻帶中。信號分離電路一般采用濾波器實現(xiàn)噪聲的抑制,提取所需的測量信號。但是系統(tǒng)中采用的濾波器的形式和截止頻率往往是固定的,很難做到可調,這就給系統(tǒng)的設計帶來一定的不便。然而,開關電容濾波器的使用可以很好地解決這一問題,但是開關電容濾波器的價格較高,會提高系統(tǒng)的設計成本,因此,這里提出了一種基于狀態(tài)變量濾波器的解決方案,本設計能夠大大降低制作成本,具有很高的應用前景。
1 系統(tǒng)設計方案
設計了一個濾波形式和截止頻率可以通過鍵盤設置的程控濾波器。濾波器輸入端采用同相放大電路進行阻抗匹配,使輸入電阻達到兆歐數(shù)量級。該系統(tǒng)主要由3個部分組成:人機交互模塊、雙二階環(huán)路濾波模塊、可變電阻模塊。
雙二階環(huán)濾波器電路的截止頻率與Q值由其中某些電阻、電容值決定,且兩參數(shù)相互獨立。R-2R梯形網絡、電流輸出型DAC可等效為阻值僅受輸入數(shù)據控制的電阻。通過由單片機控制的DAC作為等效電阻來控制濾波器的截止頻率和Q值,可實現(xiàn)濾波器參數(shù)精確程控,且濾波器參數(shù)調節(jié)的精度隨著DAC位數(shù)的增加而增大。該方案可由同一電路產生高通、低通、帶通、帶阻濾波器,節(jié)約了硬件資源,從而有效地降低設計成本。圖1為該系統(tǒng)設計框圖。
2 硬件電路設計
2.1 雙二階環(huán)路濾波器
本系統(tǒng)的核心部分為雙二階環(huán)路濾波器,雙二階環(huán)路濾波器利用兩個以上由加法器、積分器等組成的運算放大電路,根據所要求的傳遞函數(shù),引入適當?shù)姆答仒嫵蔀V波電路。其突出的特點是電路靈敏度低,因而特性穩(wěn)定,并可實現(xiàn)多種濾波功能,經適當改進還可以減少運算放大器的數(shù)目。本系統(tǒng)采用了TI公司的四通道運放OPA404,設計了一個雙二階環(huán)濾波電路。OPA404是一款四路高速精密運算放大器,其帶寬可達6.4 MHz,電壓擺率可達35 V/s,可以實現(xiàn)本系統(tǒng)的設計要求,電路原理圖如圖2所示。
2.2 可變電阻
在電路分析中,定值電阻可以認為是一個單端網絡,給一個激勵電壓Un,它就可以輸出一個響應電流I0,而電阻的阻抗定義為R0=U0/I0。對于電流型的D/A轉換器也可以這樣認為,如果將D/A轉換器的參考電壓看做是激勵電壓輸入,那么輸出電流就可以看做是響應電流了。通過軟件設置D/A轉換器的輸出電壓的數(shù)字量,就可以起到改變響應電流的目的。
采用四通道電流輸出型串行D/A轉換器MAX514,MA514是倒T形R-2R電阻網絡D/A轉換器,則其輸出電壓公式為
2.3 濾波器參數(shù)分析
如圖2所示,四路運算放大器分別輸出高通、低通、帶通、帶阻。且R01=R02=R03=R04=10 kΩ,R05=R06=R07=10 kΩ,這決定了濾波器輸出的增益:KHP=1,RBP=-1,RLP=1,RBS=-l。設計中選取Cl=C2=180 pF,濾波器的截止頻率(或中心頻率)為:
因此截止頻率(或中心頻率)可設置的范圍為15.8 Hz~64.5 kHz。本系統(tǒng)設計的范圍頻率范圍為100 Hz~50 kHz,在一定截止頻率范圍內,Q值的設定范圍為0.5~5。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件采用模塊化和層次化的設計思想。采用模塊化方法,即是對某一硬件模塊進行控制時,只需調用相應的控制模塊即可。模塊內采用層次化設計,把底層的硬件接口處理編制為獨立底層子程序,并向上提供處理的數(shù)據,且對上層功能模塊屏蔽底層硬件接口部分。最后,主程序只需要調用相關的功能模塊就可以方便構建系統(tǒng)。
本系統(tǒng)的軟件部分主要由單片機組成,其中主要包括系統(tǒng)的初始化、中斷的響應和中斷的處理。該設計的功能實現(xiàn)以鍵盤的按鍵中斷為主線,通過讀入用戶輸入的鍵值,在相應的中斷響應函數(shù)中以總線的方式與外部硬件電路進行數(shù)據的交換,實現(xiàn)對濾波器截止頻率(中心頻率)以及Q值的設定。系統(tǒng)軟件流程見圖3。
4 系統(tǒng)測試
該系統(tǒng)利用數(shù)字合成信號源、雙蹤示波器、仿真機、交流電壓表進行了測試。調節(jié)輸入信號的頻率,并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值,將實際測量值和預置值進行對比和分析。
對于低通或者高通濾波器,預置其Q值(品質因數(shù))為0.707。測試結果表明,濾波器截止頻率在100 Hz~50 kHz可調,實際測量的截止頻率與設置值誤差小于1%。在濾波器的阻帶內,達到10倍頻程40 dB衰減的效果,通帶內起伏小于0.5 dB。
對于帶通或者帶阻濾波器,預置其Q值為5,測試結果表明,濾波器中心頻率在600 Hz~7.2 kHz范圍內可調,實際測量的Q值與預置值誤差小于3%。
5 結論
設計了一種程控濾波器,這種方案的原理有別于開關電容濾波器,而是采用狀態(tài)變量濾波器和電流型D/A轉換器。就這種方案的本質而言,利用了電流型D/A轉換器的倒T形R-2R電阻網絡改變狀態(tài)變量濾波器中用來決定截止頻率和Q值的電阻阻值,從而實現(xiàn)了濾波器的程控,濾波器截止頻率和Q值的分辨率隨電阻網絡的規(guī)模的增加而提高。在大規(guī)模集成電路的設計中,可以把狀態(tài)變量濾波器和倒T形R-2R電阻網絡集成到單個芯片中,這樣能夠大大減少設計成本,具有很好的應用前景。本文僅僅是提出了一個大致的設計思路,還有待在實際運用中進一步完善。