程控滤波器《 题 设计报告 一 年全国大学生 电子设计竟赛索尼杯 奖 国防科学技术大学 李清江 肖志斌 银庆宏 指导老师 高吉祥 李 楠 库锡树 本 系统 由可 控增 益 放 大 器 、 程控滤 波器 、 椭 圆滤 波器和 幅频 特性测试仪 四大部分组 成 。 可 控 增益放大器部分 以可 变增益放大 器 作为核心器件 , 实现 了 输 出增 益 的动态 调整 程控滤波 器 和椭 圆滤波器采用集成开关 电 普通运 放组成放大电路 。 通过控制数字电位器来改变放大器 的反馈电阻实现 可变增益 。 这种方案硬件实现较简单 , 但限于数字电位器 的精度较低 、档位有 限 , 这种方案很难实现增益的精确控制 , 同时数字电位器受信号 的带宽限制 , 在运放环路中会影 响整个系统的通 频带宽 。 方案二 采用控制 电压与增益成线性关系的可编程增益放大器 可 以产生一个精确 的电压控制增益 , 便于单片机控制 , 同时可 以 降低干 。 用 扰和噪声 。 容滤 波器 芯 片 构 成 , 采 综上所述 , 本设计采用方案二 , 是一款低噪声 , 精密控制的可变增 用 技术产生 可变时钟改变滤 波器截止频率 , 实现滤波器带 宽 益放大器 , 温度稳定性高, 最大增益误差 为 与控制 电压 呈线性关系 , 可 以采用 益 , 满足题 目要求的精度 , 其增 来控制放大器的增益 。 可 调 以 单 片 机 和 作 为 控 制 程控 滤波 器 采用集成的开关 电容滤波器芯片 。 开关电容滤波器是 由 开关 、 核心 , 辅 以 扫频 电路 , 并通过 电容和 运算放大器构成的一种大规模集成 电路滤波器 。 其特点是 当 有效值测 量 电路 , 实现 幅频 特性 时钟频率一定时 , 开关电容滤波器 的特性仅取决于 电容的 比值 。 由于采用 了 的测试和显示 。 系统性 能指标达 到 了设计要求 , 工作可靠 , 用 户界 面友好 。 特种工艺 , 这种 电容的 比值精度可达 当电路结构确定之后 , 开关 电容滤波器的特性仅与时钟频率有关 , 改变时钟 频率 即可改变其滤波器特性 。 开关电容滤波器可直接处理模拟信号 , 而不 , 并且具有 良好的温度稳定性 。 必像数字滤波器那样需要 了 、 变换 , 简化 了电路设计 , 提高了系统 的可 一 、 系统方案 系统 总体构 成 靠性 。 椭 圆滤 波 器 方 案 根据题 目要求 , 本 系统设计 目标包 括 四大部分 可变增 益放 大器 、程控滤 波器 、 椭 圆滤 波器 和 幅频特性 测试 仪 等系 统构 成 , 如 图 所示 , 下 面对各部分进行方 案论证 。 采用集成的开关 电容滤波器芯片 。 集成开关 电容滤波器通 常内置多种滤 波器模块 , 通过外接少 量 电阻可 以将各种模块配 置为高通 , 低通 , 带通 , 带阻 等常见形式 , 由于其滤波器 的截止频率 由外部时钟决定 , 只要有一 个稳定的 外部时钟 , 滤波器 的截止频率是可 以保证精度 的 , 同时 , 为 了校准元件误差 , 可 以通过 时钟频 率的微调 , 改变滤波器 的截止频率 , 从而使其准确地 达到设 计要求 。 可控增 益放 大 器 幅 频特性分析仪 方 案 方案一 使用 数字 电位器 和 采用 产生扫频信号 , 利用 真有效值测量芯 片 和 路实现扫频信号频率 的步进调整及被测 网络 幅频特性 的数显 。 程程 控控控 滤滤波器器器 幅 频特性性 测试 仪仪 号的频 率稳定度较高 , 而且信号频率的步进和信号 幅度控制方便 。 接 口 电 产生信 可可 变增 益益益益 放放大器器器器 椭椭 圆圆圆圆 滤滤 波韶韶韶韶 二 、理 论分析 与计算 , 低通 滤波 器参数选取 图 系统构成框 图 题 目中要求 工处放 大器与滤波器 的总 电压增益不 大于 。 因放大器 月 · 电子翻作 年幼 翔 

的增益为 计指标 的可 靠性 , 本 系 统将 此 衰 减 定 为 , 所 以滤波器在 戏 处 的衰减 要不小于 。 但为了保证设 。 滤 波 器 的 归一 化 频 率 二 用产 戏产 , 可 以计算出滤波器的最小阶数为 厄 奄 瓦 二 厄瓦 歹 ·“ , , , 因此本设计的滤波器阶数定为四 阶 。 通过查找巴 特沃兹滤波器参数表 , 可 以 得 到四 阶低通 函数归一化近似函数为 二 高通滤 波 器参数选取 根据频率变换原理 , 高通滤波器可 以 转化为低通滤波器的设计 。 根据低 通 与高通 的 域变换关系 , 相应 的低通 滤波器 的参数为 设 衰减 二 一化频率 理‘ 〔月 华 。 此时低通滤波器的最小 阶数 , 归 丽 菇 压 一 二 二宾一 二 以 , 因此对应 的高通滤波器 的阶数定为四 阶 。 四 阶巴 特沃兹低通滤波器的传输 函数为 二 刊 设 肠 兴不 气乃 , , 根据低通 与高通 的 域变换关 系 廿 、 , , 可 得 四 阶 巴 特 沃兹高通滤波器的传输函数为 二 , , 椭 圆滤波 器参数选取 三 、 系统电路设计 程控放 大 器 电路设计 本设计将此部分电路分为两 级 增益控制部分和 电压放大部 分 。 增 益 控 制 部 分 采 用 通频带最宽的一种接法 。 电路图 如 图 所 示 , 设 计 通 频 带 为 , 增 益 为 一 一 人 控制 电压 为 一 益 和控制 电压 的关系为 。 一 级 的增 益 只有 , 输 。 增 ,使 用 两 级 串联 , 增 益 为 好 十 汁 增 益 范 围 是 一 一 , 满足题 目要求 。 考 虑 到 的输 出有 效 值 , 本设计在增益控制部分 后 , 选用两级三极管进行直流祸 合和发射级直流负反馈来构建末 级 电压放大 , 同时提高放大 电路 的带 负载能 力 。 选 用 和 三 极 管 , 可 达 到 根 据 题 目对 椭 圆 滤 波 器 的 要 求 , 阶数 , 通 带 产 , 阻 带 的带宽 。 功率放大级 电路见 图 。 , 带内起伏 蕊 , 二 , 带外衰减 , 为 了保证设 低通 滤波 器 电路设计 计指标达 到 , 本系统 按照带 内起伏 蕊 进 行设 计 , 可 以求得 阻带和通带 的边界之 比 一婴 , 通 过查 找椭 圆滤波器参数 的衰减 , 其 归一 化近 表 , 可 以查得 四 阶椭 圆 函数在 ’ ‘ 一 ’ 、 ’一 ”一 ” 一 ’ 一 ” ’ 一 一 ’ 一 一 洲 , 阻带带宽 产 时可 以 达到 ’ 一 一 一 ” ‘ ’ 似函数为 , 肠 仪刃 晰 , , , 。 止。巧 ”“ ’“ 是 公 司 的 一 款 开 关 电容 滤 波器 芯 片 , 其 中包含 四个通 用二 阶模块 , 每个 模块都可 以配 置成高通 、低通 、 带 通 、带阻等常见形式 , 滤波器 的外 部元件参数一旦确定 , 便可 以 使 ”””” 幽幽幽 以拍 年幼 翔 电于 作 · 

竟赛园地 二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二 一刊刊 夏夏夏 口口 口 吐吐 ““ ……… 一一一一一一 … 陈陈 〕〕食 〔〔及叫 、、、 ‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘ 乏乏二 治 三三三三三三三三 兰兰一 漪 乙乙乙 ’“ 乏乏乏乏乏乏乏乏乏 阳阳 创创 口口 口 , 曰曰 一二二 帕帕 「石石 生生 「万万 拍 份 一一 刚 八 月 厂 即 即 〔〔 凡 日 口 助助 阴 护 ,,, 万万万万万万万万万万万万万帕丫日 写写 二二西 目目 召阴 乙乙 弘 一一一一任任 ——一一匡匡 二二 月日 · 电子侧作 阅 年 , 翔 用时钟来调节截止频率 。 共有模式 、模式 、模式 、模式 共 四种工作模式 , 对应不 同的 滤波特性 。 经过计算 , 低通滤波器 电路设计采用 波器模块组成 四阶 的两级滤 胃 。 低 通滤波器 , 第一级滤波器的 , 第二级滤波器 的 , 。 两级滤波器模块都工作 在模式 下 的低通模式 , 根据芯 片手册提供的元件参数计算公式 计算出外 围电阻值 , 最终电路见 图 。 高通 滤波 器 电路设计 高通 滤 波 器 电 路 设 计 采用 的两级滤 波器模块组 成 高通 滤 波器 , 经 四 阶 过 计 算 , 第一 级 滤 波器 的 , 第二级滤波器 的 , , 两级滤波器模块都工作 在模式 下 的高通模式 , 根据滤 波器的参数可 以计算 出每级滤波 器对应 的外 围电阻值 , 最终设计 电路图见 图 。 

椭 圆滤波器电路设计 椭 圆 滤 波 器 电 路 设 计 采 用 的 两 级 滤 波 器 模 块 , 组 成 四 阶椭 圆 函 数 低 通 滤 波 器 , 经 过 计 , , 华 第 二 级 滤 波 器 的 参 数 算 , 第一级滤波器 的参数 毕 贻 工作在模式 下 的低通模式 , 第二级滤波器模块工作在 模式 下 的低通模式 , 最终设计电路图见 图 , 第一级滤波器模块 , , 、梦 鬓 竟鑫园地 幅频特性测试仪框图如 图 所示 , 单片机与 甲 扫频源 如图 所示 以一定步进产生 控制 扫频信号 , 同时测 量并记下其通过被测 网络后 的有效 值 , 利用各个频点通过 网络后 的有效值可在液晶上 画 出 其幅频特性 图 。 有效值测量采用集成芯片 , 其外 围 电路简单 , 而且 当输人峰峰值大 于 时 , 其测 量误 差在 一 的范围内基本上可 以忽略 , 设计电路 见 图 及 图 简易幅 频特性测 试仪设计 默默默默默默 一 一 代二二一 一 一一 仁二二一 器器器器器器 一 」翻里竺 一 一一一 」」 签口 忿 一一 忿 ······ 门门门 一 即 日 · ··· 一一一一一一 一 十 一 消消消消消消口口 一一一一一一 ’’’ 洲 洲阴阴 闪闪 住 长长 阳阳 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 口口口口口 一一一一一一 即八 即 口口 广 ‘二 愁 凡 门门 口 、 产 几几 吞吞 冉 任俐 口口 普普蛋蛋蛋 有 效测里里 启 图 幅频特性分析仪框图 妞 ’’ ’’ ’’ 匕匕匕二口口口 ‘‘ 八 】 ,,,, ’’ 」」 ’’ ’’ ,, 扮 号号号号号号, ‘勺 , 目目 侧拍 年幼 翔 电子翻作 · 

加 脱 以玲少以刃刃 即 加加 的 创创创创创 叱叱叱叱叱 加 叻 日日日日日日日日日日 了了了 旧旧 州〔 一资一耀赶迁幸丁几几 口口口 口口 嘿” 阅 佣佣佣佣佣佣佣佣佣 份份份份 加 一一一一 以 八 加 目旧旧旧 八〔湘湘湘 价价价 叫 侧侧侧侧侧侧 叨叨叨叨 匕匕。 ’ 引引 厂厂’ 卜 沈沈沈沈 波波波波 器器器器 参参参参 数数数数 设设设设 工工工工工工工工工工 增增增 益益益 控控控 制制制 核核核 式式式 频频频 谧谧谧 特特特 性性性 扫扫扫 描描描 设设 系系 统统 时时 钟钟 圈 系统软件流程 图 四 系统软件设计 系统软件基于单片机开发系统 止频率 , 测试滤波器的 一 带宽 。 增益测试方法 , 将程控放大器的输 出连接到低通滤 , 输人信 波器的输人 , 程控放大器 电压增益调节到 号 , 滤波器输人信号此 时大 于等于 , 在 处 测试滤波器输 出电压幅度 , 换算成 。 高通滤波器电路测试 通频带测试方法 同低通滤波器通频带测试方法 。 增益测试方法 只需将低通 滤波器测试方法 中的 以及 换为 甩 。 开发系统 开发 , 本系统软件流程 图如图 椭 圆滤波 器 电路测试 所示 , 单片机通过扫描用 户键盘输人进人相应功能模 通频带测试方法 同低通滤波器通频带测试方法 , 块 。 只需将频率范 围扩展到 。 五 、测试方法与测试结果 程控放 大 器 电路测 试 测 试 方 法 用 经过 校 准 的信 号 源 在 信 号输 人 端 加 频带 内 , 按照 一 定 的频 正 弦波 。 在 一 率步进设 置测 试点 , 在每 个频 率测试点 以 为步 进 , 从 到 测试七组数据 。 低通滤 波 器 电路浏 试 通频带测试方法 使用标准信号源 产生一个稳 定的 正 弦信号连接到滤波器 的输人端 , 在 到 的频率范 围 内 , 以 为步进 , 调 节低通 滤 波器 的截 。 电子翻作 侧拍 年幼 翔 增益测试方法 将程控放大器的输 出连接到椭圆滤 波器 的输人 , 程控放大器 电压增益调到 印 , 输人信号 处测 , 滤波器输 人信号 此 时等于 , 在 试滤波器输 出电压幅度 , 换算成 。 简 易幅频特性测 试仪 测 试 测试方法 目测法 , 将被测 网络接人 简易幅频特性 测试仪 , 设定测试信号扫频带宽和步进 开始扫频 , 观察 液晶显示屏上 的幅频测试图 , 与被测 网络理论计算结果 比较得 出结论 。 测试数据详见本刊 网站