在電子系統(tǒng)中，濾波器是數(shù)據(jù)采集、信號處理等方面*的重要環(huán)節(jié)，如信號采集前的噪聲濾除，d／a轉(zhuǎn)換輸出的“階梯狀”濾波等等。一般的有源濾波器由運(yùn)算放大器、rc元件組成，但這種濾波器的截止頻率、q值等參數(shù)都是固定不變的，在某些信號頻率動態(tài)范圍較寬的場合就不適宜使用。因此，有必要采取多種截止頻率的濾波器，如程控濾波器，對動態(tài)范圍較寬的信號進(jìn)行濾波。美國maxim公司生產(chǎn)的可編程濾波器芯片max262可以通過編程進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置，實現(xiàn)低通、高通、帶通、陷波等處理，且濾波的特性參數(shù)如中心頻率、品質(zhì)因素等，均可以通過程序設(shè)置。
本文介紹以低功耗單片機(jī)msp430f449為控制核心，通過凌特公司數(shù)字頻率源芯片ltc69034產(chǎn)生時鐘信號控制max262，以及其與外圍電路構(gòu)成能實現(xiàn)多種功能的新穎濾波器系統(tǒng)的設(shè)計。本設(shè)計zui大特點在于數(shù)字頻率源ltc6903與max262的結(jié)合使用，以及msp430具有的低功耗功能，當(dāng)系統(tǒng)超過一定時間沒信號輸入時程序可以自動關(guān)閉cpu進(jìn)入節(jié)能省電模式。
1、系統(tǒng)設(shè)計方案
系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1所示，vca810程控放大器作為信號輸入的前級放大，其增益由單片機(jī)控制d／a芯片tlv5616輸出電壓來調(diào)節(jié)，步進(jìn)精度可達(dá)1db，范圍在-40～40db。濾波模塊以可編程芯片max262作為核心，通過單片機(jī)msp430和ltc69034程控時鐘信號芯片進(jìn)行截止頻率的低步進(jìn)調(diào)節(jié)以及品質(zhì)因素的智能控制。
本設(shè)計的特點之一在于msp430具有低功耗性能，當(dāng)系統(tǒng)末級超過一定時間沒有檢測到信號輸入時，程序?qū)⒆詣雨P(guān)閉cpu并處于低功耗狀態(tài)，直到有信號輸入為止。這樣的設(shè)計能使系統(tǒng)更為節(jié)能，防止無用地消耗能源。此外，系統(tǒng)附加了幅頻特性測試模塊，掃頻信號由ad公司的ad9851來產(chǎn)生，頻率步進(jìn)到1khz。當(dāng)信號從被測網(wǎng)絡(luò)輸出后通過ad637檢測到有效值，再采用msp430f449內(nèi)部集成的a／d模塊進(jìn)行采樣處理，zui后驅(qū)動雙口d／a在液晶顯示幅頻特性曲線。
2、硬件電路
2．1前級放大模塊
系統(tǒng)前級采用vca810程控放大芯片，該芯片具有-40～40db增益連續(xù)可調(diào)的放大功能，其增益可由單片機(jī)控制d／a芯片tlv5616輸出電壓vc給vca810的3號引腳來調(diào)節(jié)，具體增益與電壓的關(guān)系為：g（db）=-40·（vc+1）db。
如圖2所示，信號輸入系統(tǒng)經(jīng)過同相放大后輸出給后級，由于vca810具有較寬的增益調(diào)節(jié)，對輸入信號幅度要求較小，可以根據(jù)實際的信號大小來控制放大器的增益倍數(shù)，因此本系統(tǒng)可以用于小信號的濾波。此外，vca810的帶寬為25mhz，故輸入的信號可以達(dá)到較高的頻率，大致可實現(xiàn)寬帶的放大濾波功能。在調(diào)試過程中，由于vca810控制引腳對噪聲要求較高，尤其3號gain引腳對電壓波動范圍需要在mv級別以內(nèi)，因此必須在靠近vca810的3號腳加上鉭電容10μf與0．1μf并聯(lián)進(jìn)行去耦，否則輸出的信號效果比較差。
2．2濾波疊模塊
max262具有a、b兩個二階開關(guān)電容有源濾波器，它由單片機(jī)控制濾波函數(shù)即可構(gòu)成低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，且有外圍電路少、功能強(qiáng)大的優(yōu)點。max262可在程序控制下設(shè)置中心頻率fo，品質(zhì)因素q以及濾波器的工作方式。截止頻率調(diào)節(jié)可有兩種方式，方案1是固定fclk與fo的比率，改變fclk來調(diào)節(jié)；方案2是外部電路采用固定晶振給clk時鐘，改變fclk與fo的比率關(guān)系來調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)要實現(xiàn)低步進(jìn)調(diào)節(jié)，故采用前者方案。
如圖3所示，為了得到穩(wěn)定的時鐘信號源，本設(shè)計采用凌特公司ltc69034產(chǎn)生可控的時鐘信號給max262的clka與clkb引腳。其輸出時鐘頻率由以下公式?jīng)Q定；f=2oct·2078／（2-dac／1024）hz。由于ltc69034輸出頻率步進(jìn)精度高，時鐘信號幅頻非常穩(wěn)定，在高頻段可達(dá)到10khz的步進(jìn)。假設(shè)需要固定max262的fclk與fo比率為100．53倍關(guān)系，故濾波器截止頻率可在100hz～40khz之間以100hz為連續(xù)步進(jìn)調(diào)節(jié)。
此外，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)若直接將msp430控制信號與max262連接，會對濾波器輸出信號帶來較大的噪聲影響，因此在本設(shè)計中在msp430與濾波器之間加上一級74hc573作為緩沖器，片選引腳oe由wr來控制，這樣濾波器輸出的信號效果得到了大大改善。
2.3幅頻特性測試模塊
本系統(tǒng)附加了幅頻特性測試擴(kuò)展功能。如圖4所示為該模塊的原理框圖。當(dāng)選擇幅頻特性測試菜單后，msp430驅(qū)動dds集成芯片ad9851產(chǎn)生正弦信號進(jìn)行掃頻，經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)后再由有效值檢測電路進(jìn)行測量。由于二極管峰值檢波電路在低頻段無法測試，故本設(shè)計采用集成芯片ad637進(jìn)行有效值檢波，該芯片可在較低頻率段測量，zui高頻率可達(dá)到8mhz，*設(shè)計要求，檢波模塊輸出后經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部集成a／d模塊采樣后，再由msp430驅(qū)動雙口d／a芯片tlv5618輸出并在液晶顯示幅頻特性曲線。
3、軟件設(shè)計
本系統(tǒng)設(shè)計的軟件流程如圖5所示，上電后msp430開始從系統(tǒng)末級通過ad采樣判斷是否有信號輸入。當(dāng)經(jīng)過一定時間仍沒有信號時，程序?qū)㈥P(guān)閉cpu，進(jìn)入低功耗模式；若測得有信號輸入則利用單片機(jī)驅(qū)動液晶顯示mode功能菜單，等待輸入選擇濾波器類型、前級程控放大器增益倍數(shù)以及濾波器的q值、截止頻率等各種參數(shù)，通過計算后對max262傳輸中心頻率與品質(zhì)因素數(shù)據(jù)。若用戶開始菜單選擇幅頻特性測試儀，則由msp430程序驅(qū)動ad9851產(chǎn)生掃頻信號，經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)后再由msp430f449內(nèi)部集成a／d模塊采樣有效值ad637的輸出，通過計算并顯示采樣結(jié)果，得出幅頻特性曲線，并在液晶上顯示。
4、系統(tǒng)性能測試
1）幅頻特性測試模塊性能測試
單片機(jī)控制9851產(chǎn)生掃頻信號，通過示波器觀察濾波器幅頻特性，將實測結(jié)果與幅頻特性測試模塊所得到的結(jié)果相比較，截止頻率在100hz～40khz之間幅頻特性測試誤差在1％以內(nèi)。
2）q值調(diào)節(jié)測試
q值可由編程數(shù)據(jù)q0～q7控制，每個數(shù)據(jù)對應(yīng)一個不同的q值，在100hz～40khz之間設(shè)置不同的截止頻率，改變編程數(shù)據(jù)q0～q7，然后通過幅頻特性測試算得q值與理論值誤差在2％以內(nèi)。
3）截至頻率控制性能測試
通過改變max262的時鐘信號頻率fclk和頻率控制字n來實現(xiàn)，設(shè)n為固定值，則截止頻率由時鐘頻率fclk決定，fclk由msp430單片機(jī)控制數(shù)字頻率源ltc69034產(chǎn)生。經(jīng)試驗證明，ltc69034輸出頻率步進(jìn)精度高，在高頻段也可以達(dá)到10khz的步進(jìn)，固定max262的fclk與fo比率為100．53倍關(guān)系，測得濾波器的截止頻率可以在100hz～40khz之間以100hz為連續(xù)步進(jìn)調(diào)節(jié)，誤差小于1％。
4）功耗測試
在實際電路系統(tǒng)功耗測試，整個系統(tǒng)在工作狀態(tài)下功耗小于60mw，低功耗模式下功耗小于10mw，極大地降低了系統(tǒng)功耗。此款低功耗程控濾波器滿足手持式裝置的低功耗要求，因此在現(xiàn)實設(shè)備中具有較大的應(yīng)用前景。
5、結(jié)束語
本系統(tǒng)基于msp430f449單片機(jī)完成對可編程濾波器max262的控制，能很好地實現(xiàn)各種有源濾波器的設(shè)計工作。這種程控濾波器使用靈活、工作穩(wěn)定、信號輸出效果好，使用者可根據(jù)實際需要自行設(shè)置濾波器的q值、截止頻率、工作方式等。系統(tǒng)采用ltc69034可控時鐘芯片，讓濾波器的截止頻率可以100hz低步進(jìn)調(diào)節(jié)，適用范圍更廣。前級程控放大器可達(dá)到40db的zui大增益，故本設(shè)計可以輸入較小的信號，且zui小增益步進(jìn)精度可為1db，可由使用者自定設(shè)置。系統(tǒng)還擴(kuò)展了幅頻特性測試模塊并在液晶顯示特性曲線。此外，msp430具有低功耗特點，在系統(tǒng)超過一定時間不工作時可自行關(guān)閉cpu以節(jié)能省電，這也是本設(shè)計的zui大特點之一。