基于MAX264的程控濾波器
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1．1 濾波器的設計
方案1：傳統分立元件組成的無源濾波器存在諸如帶內不平坦、頻帶范圍窄且恒定、結構復雜等缺點。
方案2：運算放大器構成的有源濾波器設計簡單，但存在截止頻率調節范圍的局限性，難以實現高精度截止頻率調節。
方案3：引腳可編程的開關電容濾波器MAX264。該器件內部集成了濾波器所需的電阻、電容，無需外接器件，且其中心頻率、Q值及工作模式都可通過引腳編程設置進行控制。MAX264可工作于帶通、低通、高通、帶陷或是全通模式下，其通帶截止頻率可達140 kHz。
綜上所述，故系統的濾波器設計選用方案3。
1．2 放大器的設計
方案1：采用普通寬帶運算放大器構成放大電路，分立元件構成AGC控制電路，利用包絡檢波反饋至放大器的方法控制放大倍數。采用場效應管作為AGC控制可實現高頻率和低噪聲，但溫度、電源等漂移將引起分壓比變化，采用這種設計方案難以實現
系統增益的精確控制和穩定性。
方案2：采用可編程放大器的思想，將交流輸入信號作為高速D／A轉換器的基準電壓，該D／A轉換器可視為一個程控衰減器。理論上講，只要D／A轉換器的速度夠快、精度夠高就可實現寬范圍的精密增益調節。但控制的數字量和最后的增益(dB)不是線性關系而是指數關系，導致增益調節不均勻，精度降低。
方案3：采用控制電壓與增益成線性關系的可編程增益放大器PGA實現增益控制。電壓控制增益便于單片機控制，同時可減少噪聲和干擾。采用可變增益放大器AD603作為增益控制。AD603是一款低噪聲、精密控制的可變增益放大器，溫度穩定性高，其增益與控制電壓成線性關系，因此便于使用D／A轉換器輸出電壓控制放大器增益。
綜上所述，故系統的放大器設計選用方案3。
2 程控濾波器設計
程控濾波器主要由程控放大器、濾波器和信號采集等模塊組成，如圖1所示。幅頻特性測試儀主要由掃頻源、信號采集、示波器顯示等電路組成。其工作原理：輸入信號經衰減網絡衰減至10 mV，單片機設置放大器和濾波器的參數，選擇相應的濾波器，單片機和FPGA控制AD9851產生正弦輸出信號，再經濾波、AGC后得到掃頻輸出信號，單片機和FPGA共同控制D／A轉換器輸出幅頻特性曲線在示波器上顯示。
3 理論分析與計算
3．1 程控放大器
AD603的基本增益為：
Gain(dB)：40VG+10 (1)
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。由式1看出，以dB作單位的對數增益與電壓成線性關系。由此，單片機通過簡單的線性計算就可控制對數增益，從而準確實現增益步進。
3．2 程控濾波器
編程設置MAX264的M0、M1引腳使其工作在模式1、2、3、4多種模式下，但只有模式3具有高通濾波功能,因而本系統設計采用模式3實現低通和高通濾波功能。
模式3下的輸入時鐘與中心頻率的關系(以下僅以低通濾波器作為分析，高通濾波器類似)為：
fCLK/f0=π(N+13) (2)
其中，fCLK為輸入時鐘頻率，fo為濾波器中心頻率,N由外部輸入。
fo與截止頻率fc的關系：
其中，Q為濾波器的品質因數。
因此fCLK與fc具有函數關系，可通過設置fCLK實現fc的設置。取Q=0．707 fCLK/f=π(N+13)，實現fc的設置。
3．3 橢圓低通濾波器
橢圓函數濾波器的衰減特性為：
AdB=101g[1+ε2Z2n(Ω)] (4)
其中，ε由波紋確定，Zn(Ω)為n階的橢圓函數，對于偶數n階的橢圓函數，其極點和零點表示為：
其中,m=n／2。所以對于4階的橢圓函數濾波器,阻帶和通帶內波紋相等，而且阻帶內的陷波點數為1。因此橢圓濾波器在通帶和阻帶內特性允許起伏,并具有最佳截止特性，但對元件數值要求特別嚴格。
根據選用RdB=0．5 dB,Amin=70 dB,Ωs=3．91查歸一化圖表得C1=1．226 F，C2=0．043 80 F,L2=1．241 H，C3=1．904 F,L4=0．845 9 H,用Z=510 Ω和頻率標定系數FSFT=2πfc(fc截止頻率，即50 kHz)對濾波器去歸一化,C′=C／(FSFZ)，L′=LZ／FSF，得出參數后采用Multisim仿真調整參數，并且設計相關電路測試得出如下參數：C1=6．8 nF，C2=39 pF，L2=2．2 mH+220μH=2．42 mH，C3=10 nF，L4=1 mH+620 mH=1．62 mH。其橢圓濾波器電路如圖2所示。
4 硬件電路設計
4．1 程控放大電路
該電路采用兩片AD603級聯實現可控增益范圍為0 dB～60 dB。AD603單片增益范圍為10 dB~30 dB,輸入控制電壓范圍為0 V～l 1。其中，一級AD603電路圖如圖3所示。由于AD603的輸入阻抗僅100 Ω，要滿足系統電阻要求，必須增加輸入緩沖來提高輸入阻抗。另外由于前級電路影響電路噪聲，須盡量減少噪聲，故采用一級儀表運算放大器AD620構成的放大電路作為前級小信號放大器。
4．2 低通和高通濾波器電路
系統設計采用引腳可編程濾波器MAX264實現低通或高通濾波器，如圖4所示(衰減放大網絡略)。電路設計采用單極性輸入模式，其輸入電壓范圍0 V~5 V，調理電路應將信號調理至其輸入范圍。調理過程：信號首先經過衰減網絡使其峰-峰值為-2．5 V~+2．5 V，再由加法器將信號調節為0 V～5 V,濾波后，減法器將信號變為-2．5 V～+2．5 V,放大網絡補償平衡衰減，最后輸出至有效值來轉換電路。
4．3 幅頻特性測試電路
幅頻特性測試電路主要是由DDS AD9851與AGC構成的掃頻源、有效值轉換,以及12-bit ADCMAXl97采樣電路和DAC0800構成的顯示電路組成。
5 系統軟件設計
系統軟件設計采用軟件工程設計思想，主要實現人機界面的交互，包括提示信息顯示、系統狀態選擇、參數輸入、輸入參數顯示、系統啟動與復位。軟件設計系統程序流程圖如圖5所示。
6 測試結果
系統設置為放大器電壓增益范圍測試模式，在放大器電壓增益測試端口利用Tektronix TDS1002型數字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量其輸出幅度，滿足系統要求。
系統分別設定為低通濾波器和高通濾波器測試模式，在放大器電壓增益測試端口以及濾波器輸出端口中利用Tektronix
TDS1002型數字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量截止頻率處及2倍截止頻率處其輸出幅度，各參數滿足系統要求。
系統設定為橢圓濾波器測試模式，在濾波器輸入端口和濾波器輸出端口采用數字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量其通帶內和截止頻率處輸出幅度。
濾波器輸入幅值為1 V時通帶內最大輸出幅值為1．10 V，增益為0．828 dB，滿足帶內起伏≤1 dB的要求。-3 dB截止頻率為52 kHz，滿足-3 dB通帶誤差不大于5%的要求。
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