【正文】 濾波器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計(jì)第一章 緒論濾波器技術(shù)在計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、通信、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。如在通信領(lǐng)域中為獲得最高信噪比所設(shè)置的匹配濾波器和為減少基帶傳輸過(guò)程中的碼間串?dāng)_所設(shè)置的均衡器；在數(shù)據(jù)采集中所設(shè)置的限帶抗混迭濾波和D/A轉(zhuǎn)化后的平滑濾波；以及在語(yǔ)音識(shí)別的研究，為提取語(yǔ)音頻譜而設(shè)置的帶通濾波器組等。在信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍不寬的場(chǎng)合，設(shè)定固定截止頻率的濾波器技術(shù)已很成熟，但在許多工程應(yīng)用領(lǐng)域，信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍往往很寬， ~ 20kHz之間變化，因此，有必要采用多種截止頻率的濾波器，用程控方法對(duì)頻率寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)進(jìn)行濾波。傳統(tǒng)的方法是用電阻、電容以及運(yùn)放構(gòu)成，并通過(guò)模擬開關(guān)選取不同的阻值以實(shí)現(xiàn)截止頻率的改變，但這樣的分布參數(shù)較大，截止頻率精度不高，電路復(fù)雜。而數(shù)字濾波器需要A/D和D/A轉(zhuǎn)換，在成本和微型化方面存在著不足。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了新型的單片濾波電路——開關(guān)電容濾波器（SFC）集成電路，設(shè)計(jì)出了可以通過(guò)編程改變截止頻率的濾波器系統(tǒng)，滿足了對(duì)濾波器靈活應(yīng)用的要求。SFC電路的實(shí)質(zhì)是采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，SFC雖然在離散域工作，但屬于模擬濾波器之列，直接處理模擬連續(xù)信號(hào)，與數(shù)字濾波器相比，省去了A/D、D/A裝置，這也是SFC能很快進(jìn)入應(yīng)用的原因之一，擁有傳統(tǒng)模擬濾波器低成本，低功耗的優(yōu)勢(shì)，又具有數(shù)字濾波器靈活參數(shù)設(shè)置的特性，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著對(duì)微型化要求的日益提高，濾波器的全集成化問(wèn)題擺在了人們的面前。早期的無(wú)源LC濾波器，低頻應(yīng)用時(shí)電感所占體積很大，并且不易集成。因此隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，特別是運(yùn)算放大器的問(wèn)世，有源RC濾波器的使用越來(lái)越廣泛。相對(duì)于無(wú)源LC濾波器來(lái)說(shuō)，有源RC濾波器無(wú)電感，因而便于小型化和集成化 有源RC濾波器的性能與電阻電容乘積RC有關(guān)，但集成電阻精度和穩(wěn)定性都很差，因此集成的RC濾波器性能不高。這樣迫切需要新型的濾波集成電路。開關(guān)電容濾波器(Switched Capactor Filter簡(jiǎn)稱SCF)集成電路正是在這種情況下出現(xiàn)并獲得越來(lái)越多的重視的。在SCF中開關(guān)電容C替代了原來(lái)RC濾波器中的電阻R。這樣濾波器的特性僅取決于開關(guān)頻率和網(wǎng)絡(luò)中的電容比。由于單片硅上實(shí)現(xiàn)精確而穩(wěn)定的電容比較為容易，采用特種工藝，其精度通?？蛇_(dá)0．01％，因此單片SCF集成電路作為一種全集成化濾波器非常引入注目。本系統(tǒng)采用了美信公司通用開關(guān)電容濾波器芯片，設(shè)計(jì)如圖1－1：(1)系統(tǒng)增益0～60dB，增益步進(jìn)1dB可調(diào)；通頻帶為100Hz～40kHz， 電壓增益誤差不大于1%。(2)系統(tǒng)可設(shè)置為低通濾波器，其3dB截止頻率fc在1kHz～20kHz范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)為1kHz，2fc處放大器與濾波器的總電壓增益不大于30dB, RL=1kW。(3)系統(tǒng)可設(shè)置為高通濾波器，其3dB截止頻率fc在1kHz～20kHz范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)為1kHz，, RL=1kW。(4)高低通截止頻率的誤差均不大于3%。緩沖壓控增益AD603D\A MAX531通用開關(guān)電容可編程濾波器 max262電壓放大SPCE061A1*4按鍵圖型點(diǎn)陣液晶DDS AD98511K負(fù)載信號(hào)輸入高低通選擇開關(guān)整形圖1－1 系統(tǒng)圖 第二章 程控放大器設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中MAX262為了對(duì)小信號(hào)能進(jìn)行濾波，增益最大可設(shè)置為60dB,在高增益下，電路設(shè)計(jì)應(yīng)將信噪比因素考慮進(jìn)去。系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量可用信噪比（Signaltonoise ratio, SNR）表示 ：S / N = 有用信號(hào)功率電平 / 無(wú)用噪聲功率電平噪聲系數(shù)：FG NnSi So Ni = KTB No 圖2－1系統(tǒng)可用如圖2－1二端口網(wǎng)絡(luò)表示。對(duì)于任何一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，噪聲系數(shù)F的定義是：F = = 噪聲系數(shù)常用分貝表示，記為NF。對(duì)于增益為G的二端口網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲No應(yīng)為N0= GNi+網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲Nn。網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲Nn為：Nn = No－GNi (W)F = = No = FGNi（W）以分貝表示輸出噪聲等于輸入噪聲No(dB)加上噪聲系數(shù)F(dB)和增益G(dB)。 噪聲系數(shù)只反映本身噪聲性能，噪聲系數(shù)定義基于標(biāo)準(zhǔn)噪聲源Ni。對(duì)于N個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)連組成的系統(tǒng)，其總的噪聲系數(shù)為：F = F1 + + + ∧ + FnGnFn1Gn1F3G3F2G2F1G1 … 圖2－2網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)由此可見，第一級(jí)的增益、噪聲系數(shù)對(duì)總鏈路的噪聲系數(shù)起決定作用。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)始終應(yīng)當(dāng)設(shè)法巴第一級(jí)或者前兩級(jí)所產(chǎn)生的噪聲減到最小。對(duì)第一級(jí)的緩沖放大器，應(yīng)選擇低噪聲系數(shù)的運(yùn)算放大器，本系統(tǒng)中選用SGOP27運(yùn)算放大器。SGOP27(以下簡(jiǎn)稱OP27)精密運(yùn)算放大器的低失調(diào)和漂移與高速和低噪聲結(jié)合在一起，℃，這使得OP27供精密的儀表應(yīng)用是很理想的。在10Hz下，特別低的噪聲en = ，以及高增益（106）的這些特性，使其能對(duì)低電平的信號(hào)做精密的高增益放大。，使該放大器在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中保持極好的動(dòng)態(tài)精度。通過(guò)使用偏置電流抵消電路來(lái)獲得177。10nA的低輸入偏置電流。在整個(gè)軍用溫度范圍內(nèi)，該電路一般使IB和IOS分別保持到177。20nA和15nA。其輸出級(jí)具有很好的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，可保證600Ω負(fù)載上的177。10V振幅以及低的輸入失真，所以O(shè)P27供精密的音頻應(yīng)用也是種極好的選擇。 PSRR和CMRR超過(guò)120dB。，使得電路的設(shè)計(jì)者能夠?qū)崿F(xiàn)以前只有靠分立的設(shè)計(jì)才能達(dá)到的性能水平。OP27的低成本和大的產(chǎn)量是通過(guò)采用在片的Zenerzap修正網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。這種穩(wěn)定和可靠的失調(diào)修正方案，在多年的生產(chǎn)歷史中證明了其有效性。 OP27在低電平信號(hào)的低噪聲、高精度放大中具有極好的性能。主要應(yīng)用包括穩(wěn)定的積分器、精密的求和放大器、精密的電壓門限檢測(cè)器、比較器以及像磁頭和麥克風(fēng)前置放大器這類的專用音頻電路。圖2－3 OP27緩沖放大電路信號(hào)輸入端采用了BNC接頭，這樣，可以輸入10mVpp的小信號(hào)。為了防止運(yùn)放因電源內(nèi)阻自激，在OP27＋－電源輸入引腳接入10uF貼片瓷片電容。R1為防止運(yùn)放負(fù)增益端過(guò)流而設(shè)置的保護(hù)電阻，實(shí)踐證明對(duì)輸入信號(hào)沒(méi)有衰減的影響，并起到了穩(wěn)定放大器的作用。 信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖放大器后進(jìn)入第二級(jí)電壓控制增益放大器AD603，由凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A通過(guò)控制12位D/A MAX531的輸出電壓對(duì)AD603的增益進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到對(duì)系統(tǒng)增益的靈活控制以及滿足開關(guān)電容集成電路MAX262的信號(hào)輸入電壓要求。在很多信號(hào)采集系統(tǒng)中，信號(hào)變化的幅度都比較大，放大以后的信號(hào)幅值有可能超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號(hào)的變化相應(yīng)調(diào)整放大器的增益。在自動(dòng)化程度要求較高的系統(tǒng)中，希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益，或者放大器本身能自動(dòng)將增益調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶D603正是這樣一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片。它是美國(guó)ADI公司的專利產(chǎn)品，是一個(gè)低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，它使用一種叫做X2AMP 的專用拓?fù)潆娐?由前級(jí)的衰減器和后級(jí)固定增益的放大器組成。這種結(jié)構(gòu)使AD603 具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):模擬信號(hào)帶寬不隨增益變化而變化。如增益用分貝表示，則增益與節(jié)制電壓成線性關(guān)系。管腳間的銜接辦法決定了可編程的增益范圍，增益在11～+30dB時(shí)的帶寬為90MHz，增益在+10～+50dB時(shí)具有9MHz帶寬，改變管間的銜接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。簡(jiǎn)化原理框圖如圖2－5所示。AD603由無(wú)源輸入衰減器、增益節(jié)制界面和固定增益放大器三部分組成。圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端(VINP)的信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益節(jié)制接口的電壓決定。增益的調(diào)劑與其自身電壓值無(wú)關(guān)，而僅與其差值VG有關(guān)，由于節(jié)制電壓GPOS/GNEG端的輸入電阻高達(dá) 50MΩ，因而輸入電流很小，致使片內(nèi)節(jié)制電路對(duì)供應(yīng)增益節(jié)制電壓的外電路影響減小。圖2－5中的“滑動(dòng)臂”從左到右是可以銜接移動(dòng)的。當(dāng)VOUT和FDBK兩管腳的銜接不同時(shí)，其放大器的增益范圍也不一樣。AD603的基本增益為：Gain (dB) = 40 VG + 10，其中，VG是差分輸入電壓,單位是V，Gain是AD603的基本增益,單位是dB。 從此式可以看出，以dB作單位的對(duì)數(shù)增益和電壓之間是線性的關(guān)系。由此可以得出，只要單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性計(jì)算就可以控制對(duì)數(shù)增益，增益步進(jìn)可以很準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。但若要用放大倍數(shù)來(lái)表示增益的話，則需將放大倍數(shù)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的對(duì)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為以dB為單位后再去控制AD603的增益，這樣在計(jì)算過(guò)程中就引入了較大的運(yùn)算誤差。VPOS VNEG GPOS GNEG VINP COM 圖2－5 AD603簡(jiǎn)化原理框圖本設(shè)計(jì)采用AD603典型接法中通頻帶最寬的一種，通頻帶為90MHz，增益為－10～+30dB，輸入控制電壓U的范圍為－～＋。圖2－6為AD603接成90MHz帶寬的典型方法。 增益和控制電壓的關(guān)系為：AG(dB)=40U+10，一級(jí)的控制范圍只有40dB，使用兩級(jí)串聯(lián)，增益為AG(dB)=40U1+40U2+20，增益范圍是－20～+60dB。由于兩級(jí)放大電路幅頻響應(yīng)曲線相同，兩級(jí)AD603串聯(lián)后，帶寬會(huì)有所下降，串聯(lián)前各級(jí)帶寬為90MHz，根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線可得出級(jí)聯(lián)后的總帶寬為60MHz。其中，兩級(jí)放大2引腳相連，1引腳相連，由MAX531提供增益控制電壓。圖2－6程控放大器德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（）到36V范圍內(nèi)的任何值（如圖5）。,在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管,例如,數(shù)字電壓表,運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源,開關(guān)電源等等。圖2－7 TL431圖2－7是該器件的符號(hào)。3個(gè)引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽(yáng)極（ANODE）和參考端（REF）。TL431的具體功能可以用如圖2－8的功能模塊示意。由圖2－8可以看到,接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知,只有當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接近VI（）時(shí),三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò),而且隨著REF端電壓的微小變化,通過(guò)三極管的電流將從1到100mA變化。當(dāng)然,該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu),所以不能簡(jiǎn)單地用這種組合來(lái)代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用TL431的電路時(shí),這個(gè)模塊圖對(duì)開啟思路,理解電路都是很有幫助的。 圖2－8 TL431示意圖圖2－9 TL431恒壓電路應(yīng)用,所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí),器件可以通過(guò)從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流,控制輸出電壓。如圖2－9所示的電路,當(dāng)R1和R2的阻值確定時(shí),兩者對(duì)Vo的分壓引入反饋,若Vo增大,反饋量增大, Vo的分流也就增加,從而又導(dǎo)致下降。顯見,這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在VI等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定,此時(shí)Vo=(1+R1/R2)Vref。 在本設(shè)計(jì)中如圖2－10，RV為10K的精密多圈滑動(dòng)變阻器，通過(guò)改變其阻值，為AD603提供增益電壓參考。圖2－10 TL431應(yīng)用原理圖 D/A轉(zhuǎn)換器MAX531是美信集成產(chǎn)品公司生產(chǎn)的12位串行數(shù)據(jù)接口數(shù)模轉(zhuǎn)換器。采用“反向”R－2R的梯形電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。內(nèi)置單電源CMOS運(yùn)算放大器。其最大工作電流僅為260uA。具有很好的電壓偏移，增益和線性度。內(nèi)部運(yùn)算放大器根據(jù)需要可配置成+1或+2的增益，也可作四象限乘法器。圖2－11 MAX531MAX531采用I4腳DIP封裝，其引腳功能的詳細(xì)說(shuō)明:DIN ：串行輸人數(shù)據(jù)端．兼容于TTL、 CMOS邏輯電平；：當(dāng)為低電平時(shí)，異步獨(dú)立的把DAC寄存器設(shè)置成000H；SCLR：串行時(shí)鐘輸入；：芯片選擇，當(dāng) 為高電平時(shí)，D/A處于高阻態(tài)，當(dāng) 為低電平時(shí)，D/A的控制邏輯數(shù)據(jù)SCLR的上升沿處開始進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；DOUT：具有菊花鏈連接的串行數(shù)據(jù)輸出端，DOUT輸出無(wú)需外部上拉電阻。允許和更多的D/A級(jí)聯(lián)；DGND：數(shù)字地；AGND：模擬地；REFIN：基準(zhǔn)電壓輸入；REFOUT：基準(zhǔn)電壓輸出D/A ，為了響應(yīng)DIN端數(shù)據(jù)變化，迅速穩(wěn)定精確的轉(zhuǎn)換電壓。它所消耗的最大電流為1001uA 為 使干擾最小，通常在REFOUI與AGND之問(wèn)接33uF 的電解電容；VSS：負(fù)電源電壓；VDD：正電源電壓；BIPOFF：增益電阻連接；RFB：－連接BIPOFF和RFB到VOUT組成增益為+l的單極性輸出，電壓輸出范0～VREFIN； －連接BIPOFF到AGND，連接RFB到VOUT組成增益為＋2的單極性輸出，電壓輸出范圍0－2VREFIN； －連接BIPOFF到REFIN，連RFB到VOUT組成增益為＋1的雙極性出；VOUT：D/A模擬信號(hào)輸出，具有短路保護(hù)功能，驅(qū)動(dòng)阻抗 2k ,可帶 100pF容性負(fù)載。圖2－12 MAX531原理圖在本設(shè)計(jì)中BIPOFF和RFB到VOUT組成增益為+l的單極性輸出，電壓輸出范0－VREFIN，參考電壓為內(nèi)部基準(zhǔn)REFOUT。 D/A 軟件設(shè)計(jì)圖2－13 數(shù)據(jù)輸入的時(shí)序圖