程控滤波器
第２２卷第１期技术与教育
２００８年第１期ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ＆ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ
Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．１ＮＯ．１．２００８
程控滤波器
盖克胜１
（１
吉林工业职业技术学院
（２
摘
机电工程系
吉林工业职业技术学院
杨斌２
吉林
吉林市
动化３０６１班
吉林
１３２０１３）
机械５０３１吉林市１３２０１３）
要：本程控滤波器采用ＡＤ６０３小信号放大器、Ｃ８０５１０６０单片机和可编程滤波器芯片
ＭＡＸ２６２进行设计。ＡＤ６０３是一个低噪、９０ＭＨｚ带宽增益可调的集成运放芯片，具有程控增益调整功能，为了提高ＡＤ６０３的放大精度，精确控制放大倍
数，在设计时使用电压跟随器来提高其输入阻抗，并采用可编程滤波器芯片
ＭＡＸ２６２可以对输入信号进行二阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，滤波器的中心频率在１５ｋＨｚ～５０ｋＨｚ频率范围内实现６４级程控调节，其Ｑ值
在０．５～６４范围实现１２８级程控调节。
关键词：程控滤波器；低通滤波；高通滤波；带通滤波；带阻滤波；全通滤波中图分类号：ＴＰ２１６
文献标识码：Ａ
圆满完成竞赛要求的关键所在。鉴于此，我们对设计方案进行了充分的比较、分析与论证。
１
１．１
题目分析及方案论证
题目分析
本题要求设计和制作一个程控滤波器，该
１．２．１可控增益放大器部分
方案一：一般的放大电路由三极管进行级
对电路输出用二极
程控滤波器有两个部分组成，一部分是程控放大，一部分是程控滤波。本题要求放大器部分增益步进１０ｄＢ可调，最大增益６０ｄＢ，滤波器部分低通、带通、高通和截止频率步进可调；并要求制作一个简易幅频特性测试仪来测试该程控滤波器的幅频特性，要求频率变化范围是
联来实现输入信号的放大，
管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。为了满足增益６０ｄＢ的要求，必须要采用多级放大电路才能实现，由于本方案大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂，工作平衡点难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激振荡，对信号的干扰比较大。
方案二：由于半导体三极管工作在放大状态时，必须保证发射结正偏，故输入端始终存在输入电流。改变输入电流就可改变输出电流，所以三极管是电流控制器件，因而三极管
１００Ｈｚ～２００ｋＨｚ，频率步进１０ｋＨｚ。因此需要一
个峰值采样保持器，系统组成框图如１所示：
图１程控滤波器系统组成框图
组成的放大器，其输入电阻不高。场效应管是通过改变输入电压（即利用电场效应）来控制输出电流的，属于电压控制器件，它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此输入电阻十分高，可高达上百兆欧。除此之外，场效应管还具有温度稳定性好，抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所得到
１．２方案比较与论证
针对本次大学生电子设计竞赛的题目及要
求，鉴于我们的爱好、特长及对相关知识的掌握，我们选择了程控滤波器这个题目。我们也深知，在对竞赛题目有了充分理解的基础上，设计方案是否选取合理、得当，是能否顺利、
本文获大学生电子设计竞赛吉林省三等奖
盖克胜１杨斌２程控滤波器
５５
广泛的应用，但是场效应管电压放大器的放大倍数一般没有晶体管的电压放大倍数大。如果使用此方案，须级联的场效应管电压放大器太多，太复杂。
方案三：根据题目对放大电路的增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现，如运放ＡＤ６０３。它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端（ＶＩＮＰ）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值ＶＧ有关，由于控制电压ＧＰＯＳ／ＧＮＥＧ端的输入电阻高达５０ＭΩ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。
８０５１Ｆ０６０有５９个Ｉ／Ｏ口，内置Ａ／Ｄ转换及Ｄ／Ａ转
换器，温度传感器等，资源相当丰富，不用外围扩展就可以完成常用的功能。
根据以上分析，程控放大器采用ＡＤ６０３，程控滤波器采用ＭＡＸ２６２，
控制器采用
Ｃ８０５１Ｆ０６０，人机交互采用键盘和液晶显示。
２系统硬件设计
综合考虑方案论证中所述问题和题目要求
指标，程控放大部分采用两片ＡＤ６０３级联，增益可达４０ｄＢ，外加一运放增益可达６０ｄＢ；程控滤波部分采用一片ＭＡＸ２６２，由于题目要求构成四阶滤波器，而一片ＭＡＸ２６２内部有两个二阶开关电容有源滤波器，这样可以级联构成四阶滤波器；人机交互，输入采用键盘输入和液晶显示。系统总体框图如图２所示：
１．２．２程控滤波器部分
方案一：使用电阻、电容以及运放构成，
并通过模拟开关ＣＤ４０５１来切换不同的阻值以实现截止频率的改变。但是，这样设计参数过大，截止频率的精度不高，并且在调节范围较大时，使用模拟开关也是不现实的，并且电路复杂，控制困难。
方案二：采用集成程控滤波芯片ＭＡＸ２６２。
图２
程控滤波器系统总体框图
程控放大器设计：
系统要求最大增益达到６０ｄＢ，但单一
ＭＡＸ２６２是ＭＯＳ双二阶通用开关电容有源滤波
器，由微处理器精确控制滤波函数可构成各种带通、低通、高通、陷波和全通配置且不需外部器件它含２个二阶滤波器，在程序控制下设置中心频率ｆ０、品质因数Ｑ、和滤波器工作方式。输入时钟频率与６位ｆ０编程输入代码一起决定滤波器的中心或截止频率，不影响其它滤波参数。
ＡＤ６０３最多能达到４２．１４ｄＢ，所以本设计采用两
片ＡＤ６０３级联，逐级放大。由于控制端电压的精确性直接影响放大倍数，所以在负电压控制端输入一个恒定电压，
该电压由稳压管
ＬＭ３８５ＢＬＰ－１．２提供，正电压控制端由８０５１Ｆ０６０
内置的ＤＡＣ由程序控制。可达到设计６０ｄＢ的增益要求，电路如图３所示：
ＭＡＸ２６２主要由放大器、积分器、电容切换网
络（ＳＣＮ）和工作模式选择器组成，ＭＡＸ２６２芯片的工作频率为１Ｈｚ～１４０ｋＨｚ。ＭＡＸ２６２完全满足题目要求的低通、高通以及截止频率可调的要求，并且每片ＭＡＸ２６２内部有两个二阶通用开关电容有源滤波器，可级联构成四阶滤波器，满足题目发挥部分的要求。
１．２．３控制器的选择
目前，常用的微控制器有８９Ｃ５１系列以及
图３
程控放大器部分电路原理图
增强型单片机Ｃ８０５１Ｆ０６０，８９Ｃ５１资源较少，适用于控制对象简单，占用口线较少的系统。而
程控滤波器设计：
根据设计要求，采用将两个二阶滤波器级
５６技术与教法，
育
而是通过计算来获得Ｑ值的Ｑ＝６４／
联，高通、低通和带通采用继电器切换，ｆＣＬＫ由单片机程控给出，输出端加一个运放，恢复衰减信号的幅值。电路如图４所示：
（１２８－Ｎ２）（３）或Ｎ２＝６４（２－１／Ｑ）（４）其中，Ｎ２为二进数据Ｑ０～Ｑ６对应的十进制整数，范围为０～１２７共１２８级。二阶低通：
２
ｆＣ＝ｆＯ（１－１２）＋（１－１２）＋１
２Ｑ２Ｑ
!
!
ｆＰ＝ｆＯ
ＨＯＰ＝ＨＯＬＰ
图４
程控滤波器部分电路原理图
!
１－１２２Ｑ
１１Ｑ
!
１－１２
４Ｑ
３系统软件设计
由于系统功能多，并且每种功能的输入参
数较多，因此系统软件采用人机对话方式和模块化设计，将各个功能分成独立模块，由系统和监控程序统一管理执行。
系统软件有下列几部分组成：（１）键盘扫描模块（２）液晶显示模块（３）ＭＡＸ２６２模块驱动程序
传递函数
２
ωｏ（ｓ）＝ＨＯＨＰ２Ｇ
（ωｏＱ）ωｏ２ｓ＋ｓ
－１
２
ｆＣ＝ｆＯ（１－１２）＋（１－１２）＋１
２Ｑ２Ｑ
４控制字的计算
ＭＡＸ２６２的地址Ａ０～Ａ３与数据Ｄ０Ｄ１的关系
二阶高通：
见表１。由表１可见每个滤波器的工作模式、中心频率、Ｑ值所需编程数据均需要分８次写入
!
!
ＭＡＸ２６２的内部寄存器才能完成设置。
表１ＭＡＸ２６２的地址Ａ０～Ａ３与数据Ｄ０Ｄ１的关系
滤波器Ａ
数据位地址滤波器Ｂ
数据位地址
Ｄ０Ｄ１
Ｍ０Ａ
Ｍ１ＡＦ０Ａ
Ｆ１ＡＦ２Ａ
Ｆ３ＡＦ４Ａ
Ｆ５ＡＱ０Ａ
Ｑ１ＡＱ２Ａ
Ｑ３ＡＱ４Ａ
Ｑ５ＡＱ６ＡＡ３Ａ２Ａ１Ａ０Ｄ０Ｄ１Ａ３Ａ２Ａ１Ａ０
１０００００００Ｍ０ＢＭ１
１００１０００１Ｆ０ＢＦ１Ｂ
１０１０００１０Ｆ２ＢＦ３Ｂ
１０１１００１１Ｆ４ＢＦ５Ｂ
１１０００１００Ｑ０ＢＱ１Ｂ
１１０１０１０１Ｑ２ＢＱ３Ｂ
１１１００１１０Ｑ４ＢＱ５Ｂ
１１１１０１１１Ｑ６Ｂ
传递函数：Ｇ（ｓ）＝ＨＯＬＰ
ωｓ
２２
（ωｏＱ）ωｏｓ＋ｓ
２
对于级联的运放增益的计算，并不是简单的单级的相加，而是通过一个所谓的增益因子来计算的。多级的Ｑ值计算由下式给出：
给出的ｆＣＬＫ／ｆ０与Ｆ０～Ｆ５的关系表格，得到本文根据ｆＣＬＫ／ｆ０计算编程数据
Ｆ０～Ｆ５的公式，即ｆＣＬＫ／ｆ０与Ｆ０～Ｆ５的关系为：
ｆＣＬＫ／ｆ０＝４０．８４＋１．５７Ｎ１（１）或，Ｎ１为二进制
数据Ｆ０～Ｆ５对应的十进制整数，范围为０～６３共６４级。同样，对应滤波器的Ｑ值也采用查表的方
ＱＴ是指级联滤波器的整体的品质因数，Ｑ
是指单独的滤波器的品质因数，Ｎ是指级联的级数。多级增益由以下几式给出：
ＱＴ＝
Ｑ
! ２１／Ｎ－１
盖克胜１
（ｆ０１）Ｈ１（ｆＯＢＰ）＝Ｈ
２
杨斌２程控滤波器５７
１
１／２
就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。因此我们在设计电路时配置了去耦电容，来抑制因负载变化而产生的噪声，去耦电容有一个４．７ｕＦ的电解电容器和一个
２Ｆ（１Ｑ）２］Ｑ１［（Ｆ１－１）＋
Ｇ１＝
Ｆ１
Ｆ１＝ｆ０１／ｆＯＢＰ
ＨＴ（ｆＯＢＰ）＝Ｈ１（ｆＯＢＰ）Ｈ２（ｆＯＢＰ）Ｈ３（ｆＯＢＰ）＊ｅｔｃ
０．０１ｕＦ的陶瓷电容器组成。
５
５．１
测试方案与测试结果
测试仪器
双踪示波器ＹＢ４３２５（２０ＭＨｚ）、万用表、
６结论
通过本次设计，使我们对Ｃ８０５１０６０单片机
的工作原理有了本质的理解，掌握了ＡＤ６０３和
信号发生器。
ＭＡＸ２６２的的功能、内部构造及其工作原理。
利用ＡＤ６０３和ＭＡＸ２６２制作出来的程控滤波器具有线路简单，调试方便，功能完备。输出信号稳定清晰，信号质量好，精度高等优点。采用自校零、自校准智能化技术，可以使低精度、低稳定度测量系统获得高精度的测量结果；采用程控放大，可以方便地调节增益倍数，实现多量程、宽动态范围的信号测量；采用程控滤波设计，可以根据信号的不同特点，设计不同滤波器模式，完全复现信号。因此，我们采用这项智能化技术，可以使测量系统更加精确。
（指导教师：李宝泉）
５．２测试数据
放大器输入正弦信号电压振幅为１０ｍＶ，测
试点电压有效植与理论值的比较：
表２
程控滤波器测试数据
增益０ｄＢｄＢ２０ｄＢｄＢｄＢ６０ｄＢ测试点理论电压（ｍｖ）７．０７７０．７２２３６７０７０测试点测试电压（ｍｖ）７．０８７０．９２２３７７０７４
５．３误差分析及改善措施
正弦波失真。在直流电源回路中，负载的
变化会引起电源噪声。在ＡＤ６０３和ＭＡＸ２６２的电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，
参考文献
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［３］谢自美．电子线路设计实验测试［Ｍ］．武汉华中理工大学出版社．２０００．
［４］余永权．单片机应用系统的功率接口技术［Ｍ］．北京：航空航天大学出版社．２００３．［５］黄正瑾．综合电子设计与实践［Ｍ］．南京：东南大学出版社．２００４．
ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＦｉｌｔｅｒ
ＧＡＩＫｅ－ｓｈｅｎｇ１ＹＡＮＧＢｉｎ２
（１Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ２０６１２Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ３０５２ＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐｔ．，ＪｉｌｉｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｌｉｎ１３２０１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｆｉｌｔｅｒＡＤ６０３ｕｓｅｓｓｍａｌｌ－ｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｆｉｌｔｅｒＣ８０５１０６０ＳＣＭａｎｄＭＡＸ２６２ｃｈｉｐｉｎｉｔｓｄｅｓｉｇｎ．ＡＤ６０３ｉｓａｌｏｗｎｏｉｓｅ，ｂａｎｄｗｉｄｔｈ９０ＭＨｚＧａｉｎａｄｊｕｓｔａｂｌｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｈｉｐｓ，ｗｉｔｈｐｒｏｇｒａｍ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｇａｉｎａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎ．ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｈａｎｃｅＡＤ６０３ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ，ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｕｓｅｏｆｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｖｏｌｔａｇｅｆｏｌｌｏｗｅｒｉｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｉｎｐｕｔｉｍｐｅｄａｎｃｅ．ＡｎｄｉｔｕｓｅｓＭＡＸ２６２ｃｈｉｐｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｆｉｌｔｅｒｏｎｔｈｅｉｎｐｕｔｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒｌｏｗ－ｐａｓｓ，ｈｉｇｈ－ｐａｓｓ，ｂａｎｄ－ｐａｓｓａｎｄｂａｎｄｓｔｏｐａｎｄａｌｌ－ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｔｈｅｆｉｌｔｅｒｃｅｎｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ１５ｋＨｚｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒａｎｇｅｓｆｒｏｍ５０ｋＨｚｔｏａｃｈｉｅｖｅ６４ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｑｖａｌｕｅｉｎｔｈｅｒａｎｇｅ０．５ｔｏ６４ｉｓｔｏａｃｈｉｅｖｅ１２８ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｆｉｌｔｅｒ；ｌｏｗ－ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ｈｉｇｈ－ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｉｎｇｂａｎｄ－ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ；ｂａｎｄｓｔｏｐｆｉｌｔｅｒａｌｌ－ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ