一種程控濾波器的設計

　　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 系統軟件設計

　　系統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。

　　本系統的軟件部分主要由單片機組成，其中主要包括系統的初始化、中斷的響應和中斷的處理。該設計的功能實現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中以總線的方式與外部硬件電路進行數據的交換，實現對濾波器截止頻率(中心頻率)以及Q值的設定。系統軟件流程見圖3。

　　4 系統測試

　　該系統利用數字合成信號源、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)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模的增加而提高。在大規模集成電路的設計中，可以把狀態變量濾波器和倒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。