基于FPGA和Quartus II的程控濾波器測量系統(tǒng)的設(shè)計方案

1.引言

放大器和濾波器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，其性能指標(biāo)的優(yōu)劣直接決定整個系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的放大器和濾波器大部分是固定放大倍數(shù)和固定的截止頻率。在許多工程領(lǐng)域中，信號頻率范圍是動態(tài)的，約在幾Hz到幾十KHz之間，若按最大信號帶寬下選擇運算放大器的性能，會造成在較低信號頻率下功耗浪費，因此需要可變截止頻率的濾波器進行濾波。

本系統(tǒng)利用運算放大器、FPGA、D/A和LCD等核心器件設(shè)計程控濾波器和掃頻測試儀，其中掃頻測試儀可用于對濾波器的測試。輸入為mV級信號，電壓增益60dB,10dB可調(diào)，誤差小于2%.高通、低通濾波器的截止頻率在1kHz~30kHz,1kHz可調(diào)，誤差小于2%.

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)主要由可控放大電路、濾波電路、正弦信號產(chǎn)生電路和FPGA構(gòu)成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

前級程控放大采用繼電器來選擇放大器的反饋電阻以實現(xiàn)不同的增益，濾波器采用電流型DAC構(gòu)建傳遞函數(shù)實現(xiàn)，該方法便于控制而成本較低，正弦信號產(chǎn)生采用FPGA查找表的方法，能得理高精準(zhǔn)的頻率。控制核心采用NIOS,無需復(fù)雜的外路電路與FPGA進行通訊。

2.2 濾波器傳遞函數(shù)推導(dǎo)

高通/低通濾波器的原理圖如圖2所示，根據(jù)放大器的“虛短虛斷”原理，低通的傳遞函數(shù)近似為：

其中濾波器的Q值為：

為得到平坦的巴特沃茲濾波器，則當(dāng)Q=0.707時所對的ω即為低通截止頻率。

此時有NB與fc成正比，NB為正數(shù)，為得到截止頻率從1K到 ,則fc=1000NB/8,當(dāng)NB=240時，fc=30KHz.選擇C0=820pF,此時有(R1+R2)/R1=1.225,取R1=20KΩ，R2=4.5KΩ。

2.3 掃頻測試原理在F P G A中的R O M導(dǎo)入1 2位的正弦數(shù)表， 共4 0 9 6 個點， 共有1 2 根地址線，F(xiàn)PGA的晶振為50MHz,通過鎖相環(huán)倍頻到200MHz,通過累加器輸入頻率控制字和相位控制字，控制查找表的速度，來實現(xiàn)不同頻率的輸出。

通過編程改變頻率控制字，從而改變輸出頻率。系統(tǒng)對每一個不同頻率的頻點進行測量，經(jīng)過A D 6 3 7將交流轉(zhuǎn)換為直流后，通過TI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7886,將有效值送入處理器，并通過掃頻的點繪制相應(yīng)的曲線，得到頻幅響應(yīng)曲線。

3.硬件電路與軟件實現(xiàn)

3.1 程控放大器

為得到很高的增益，采用兩級放大器級聯(lián)的方式來實現(xiàn)。用FPGA給74HC595發(fā)送控制字來控制繼電器的開合，選擇放大器的不同的反饋電阻，以實現(xiàn)不同的增益放大。圖3所示為程控放大器的連接電路圖。

每一級增益分配為0 d B 、1 0 d B 、20dB、30dB,通過模擬開關(guān)同時控制兩級增益，可以使總體增益分別為0 d B、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB和60dB.

其中調(diào)節(jié)R9和R10可以抑制失調(diào)電壓。