基于單片機及FPGA的程控濾波器設計與實現

濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，可用于對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除。它在電子領域中占有很重要的地位，在信號處理、抗干擾處理、電力系統、抗混疊處理中都得到了廣泛的應用。而對于程控濾波器，該系統的最大特點在于其濾波模式可以程控選擇，且-3dB截止頻率程控可調，相當于一個集多功能于一體的濾波器，將有更好的應用前景。此外，系統具有幅頻特性測試的功能，并通過示波器顯示頻譜特性，可直觀地反應濾波效果。

1方案論證與選擇

1．1可變增益放大模塊的設計與論證

方案1：數字電位器控制兩級INA129級聯。用FPGA控制數字電位器DS1267使其輸出不同的阻值，作為高精度儀表放大器INA129的反饋電阻。通過控制數字電位器來改變INA129的放大倍數，從而實現放大器的增益可調。

方案2：采用可變增益放大器AD603實現。可變增益放大器內部由R-2R梯形電阻網絡和固定增益放大器構成，加在其梯型網絡輸入端的信號經衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定；可通過單片機控制，由DAC產生精確的參考電壓控制增益，從而實現較精確的數控。

由于輸入的正弦小信號振幅10mV，電壓增益60dB，10dB步進程控可調，且電壓增益誤差不能大于5％。對精度而言兩個方案都可實現，在AD603后再加一級放大也可實現60dB的放大倍數。但數字電位器內部結構復雜，有電容影響，后級接運放后會帶來意想不到的后果，因此采用方案2。

1．2濾波器模塊的設計與論證

方案1：采用數字濾波器。利用MATLAB的數字濾波器設計FIR或者IIR濾波器。數字濾波器具有精度高，截止特性好等優點。但是FIR濾波器會占用太多FPGA資源，IIR濾波器設計時工作量大且穩定性不高，且要使截止頻率可調，必須使用不同的參數，設計起來軟件量比較大。

方案2；采用無源LC濾波器。利用電感和電容可以搭建各種類型的濾波器。參照濾波器設計手冊上的相關參數，可以比較容易地設計出理想的濾波器。但是如果要截止頻率可調，只有改變電感電容參數，硬件會非常復雜。

方案3：采用集成的開關電容濾波器芯片。開關電容濾波器是由MOS開關、MOS電容和MOS運算放大器構成的一種大規模集成電路濾波器。其開關電容組在時鐘頻率的驅動下，可以等效成一個和時鐘頻率有關的等效電阻。當用外部時鐘改變時，等效電阻改變，從而改變了濾波器的時間常敦，也就改變了濾波特性。開關電容濾波器可以直接處理模擬信號，而不必像數字濾波器那樣需要A／D、D／A變換，簡化了電路設計，提高了系統的可靠性。

綜上所述，本系統采用方案3，利用集成芯片MAX297實現低通濾波器，利用LTC1068實現高通濾波器；采用方案2，利用無源LC濾波器技術來實現四階橢圓低通濾波器。

2系統總體設計方案及實現方框圖

本系統以單片機及FPGA為控制核心，由可控增益放大模塊、程控濾波模塊和幅頻特性測試模塊構成。系統框圖如圖1所示。輸入振幅為1V的信號經分壓網絡衰減后變成振幅10mV的小信號，經OPA690前級放大2倍，同時起到阻抗變換和隔離的作用。與此同時由AD9851產生一設定頻率的正弦信號，通過模擬開關選擇一道送到后級。信號由程序控制AD603進行0～60dB的可調增益放大后，送入濾波模塊。濾波模塊包括低通、高通、橢圓濾波器，其中低通、高通由程序控制-3dB截止頻率在1～30kHz范圍內可調，步進1kHz。橢圓濾波器截止頻率50kHz。再通過模擬開關選擇某一特定濾波信號輸出，經有效值檢波和A／D轉換后送入FPGA進行幅頻特性的測試，再用兩塊DAC0800實現幅頻特性曲線的顯示。

3主要功能電路設計

3．1放大模塊

放大模塊的具體電路如圖2所示。第一部分是一個分壓網絡，其中前4個電阻將輸入信號衰減100倍，并與信號源內阻共同構成51Ω阻抗，后面的51Ω為匹配電阻。第二部分采用OPA690將小信號放大2倍，同時起到阻抗變換和隔離的作用。由于AD603輸入阻抗為100Ω，所以在后面串接一個100Ω的電阻進行匹配。第三部分即為AD603可變增益放大，它的增益隨著控制電壓的增大以dB為單位線性增長。1腳的參考電壓通過單片機進行運算并控制DAC芯片輸出電壓來得到，從而實現精確的數控。增益G(dB)=40VG+G0，其中VG為差分輸入電壓，范圍-500～500mV；G0是增益起點，接不同反饋網絡時也不同。在5、7腳間接一個5kΩ的電位器，從而改變。