摘要：基于單片機設計了一種可控放大器程控濾波器。可控放大部分以可控放大器PGA203為核心，實現輸出增益的動態調整；程控濾波器以開關電容濾波器LMF100為核心，使用DDS芯片AD9850產生可變的時鐘，實現濾波器的截止頻率可調；幅頻特性測試儀采用AD9850產生掃頻信號，AD837進行有效值檢測，TLC5510進行A／D轉換；以STC12C5A32AD單片機為控制核心，利用鍵盤數碼管和液晶屏實現增益和截止頻率的預置，以及測試和顯示功能。
關鍵詞：PGA203；LMF100；AD9850；STC12C5A32AD
1 概述
濾波器是通信系統、信號處理和數據傳送等領域中至關重要的環節，尤其在數據采集處理系統中，其性能好壞直接影響到整個系統的性能。其中，增益和截止頻率是衡量有源濾波器的重要指標。為了實現增益和截止頻率可調，傳統的設計方法是采用調節反饋電阻和濾波電容，但要使增益和截止頻率步進可調，則必須采用新的方法。
本文設計的程控濾波器系統性能良好，采用可控放大器PGA203級聯的方式實現60 dB的增益調制，增益6 dB步進可調(輸入信號電壓振幅為10mV)。對開關電容濾波器LMF100按不同方式級聯，實現低通、高通的濾波處理，其-3 dB截止頻率在1～25 kHz范圍內可調，調節的頻率步進為1kHz；設計的簡易幅頻特性測試儀能自動測量放大器通頻帶、截止頻率和顯示測試數據。
2 系統總體設計
采用雙機通信的方式。主機主要用來讀鍵盤、A／D轉換結果，控制液晶屏和從機。從機接到主機的命令后，控制DDS芯片AD9850產生掃頻信號和時鐘信號，并控制增益大小。系統結構框圖如圖1所示。
3 系統硬件設計
3．1 增益放大器
如圖2所示，采用4片數字控制的可編程增益放大器PGA203和TL082相結合來進行增益放大，其中TL082起微調作用。為了達到最好的效果，將濾波器放在3片PGA203和1片PGA203中間，圖2中略。PGA203的數控增益范圍是1、2、4、8(二進制)，對引腳1(A0)、引腳2(A1)輸入不同的邏輯電平決定PGA203的放大倍數。
一片PGA203增益與邏輯電平的關系如表1所列。經過4片PGA203級聯后，該增益放大器能達到60 dB的增益調制，步進為6dB。
3．2 濾波模塊
程控濾波器主要用到LMF100。LMF100是美國國家半導體公司生產的，由兩個相互獨立的通用高性能開關電容濾波器組成的集成電路。它可以外接時鐘和2～4個電阻，組成各種各樣的帶通、低通、高通、帶阻和全通濾波器。LMF100有12種工作方式，其中的方式3可以實現高通、低通、帶通輸出。為簡化電路，本文的低通和高通濾波都選擇工作在方式3，用一片LMF100內的兩個二階濾波電路級聯構成四階低通濾波器，另一片LMF100構成四階高通濾波器，由此設計的低通濾波器電路如圖3所示，高通濾波器只要將連接端從連接1腳(LPA)改為連接3腳(HPA)即可。
各參數的設置如下(將LMF100的12腳接高電平)：
其中，fc為截止頻率，fclk為時鐘頻率。令R4=R2=20 kΩ，則有：
本系統要求低通和高通-3 dB的截止頻率fc為1～25 kHz，由上式可算得fclk的取值范圍為50kHz～1．25MHz。
濾波器的時鐘信號是由單片機控制DDS芯片AD9850產生的。AD9850是ADI公司推出的高集成度頻率合成器。它在接上精密時鐘源和寫入頻率相位控制字之后可產生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源，或經內部的高速比較器轉換為方波輸出。輸出正弦波頻率fout=M·fc／2N，其中fc為外部參考時鐘的頻率。在本系統中采用20 MHz的參考時鐘，通過公式FSM=fout×232／20000 000，可由單片機計算出頻率控制字FSM。本設計需要的截止頻率fc為1～20 kHz，由鍵盤鍵入，通過單片機計算后向AD9850寫入相應的頻率控制字，即可達到控制濾波器截止頻率的要求。
3．3 幅頻特性測試模塊
單片機從機控制DDS芯片AD9850產生掃頻信號，由AD837對濾波器輸出的信號進行有效值轉換，然后通過A／D轉換芯片TLC5510采樣后輸出給單片機處理，由單片機主機控制在液晶屏上繪制幅頻特性曲線圖。
3．4 液晶顯示及鍵盤模塊
采用I2C接口鍵盤及LED驅動器ZLG7290提供的4x4鍵盤和8個數碼管，可以通過鍵盤預置截止頻率和放大增益，利用數碼管顯示濾波器的工作模式、截止頻率等各項數據。采用液晶顯示模塊LM2068R顯示幅頻特性曲線。
4 系統軟件設計
為了解決I／O口不足的問題，同時體現模塊化的設計思想，采用主機和從機雙機通信的方式。主機主要用來讀取鍵值，向從機發送相應的控制字，并顯示幅頻特性曲線、增益、截止頻率等信息。從機開啟串口接收中斷，接收到主機的控制字后，在中斷子程序里控制兩片DDS芯片分別產生掃頻信號和濾波器的時鐘信號，同時，控制PGA203的輸出增益。主機主程序和從機中斷子程序的流程分別如圖4、圖5所示。
5 系統性能測試
5．1 放大器測試
函數信號發生器產生幅度為10 mV的正弦信號送入放大模塊，在模塊的輸出端口采用模擬示波器測量輸出電壓，并且進行增益為6 dB的步進調節。所得測試數據如表2所列。
5．2 濾波器測試
濾波模塊分低通和高通兩個部分的測試。用數字信號發生器DG101產生正弦信號輸入，用數字示波器觀察濾波器的截止頻率，并對其進行1 kHz的步進測試。測試數據分別如表3和表4所列。
結語
本文介紹了一種以單片機為控制核心的程控濾波器。系統能夠達到60dB的增益調制，6dB步進可調，且最大誤差控制在3．75％以內；采用DDS技術，低通和高通濾波的截止頻率在1～25 kHz范圍內可調，步進1 kHz可調，且誤差都控制在3％以內。幅頻特性測試儀能較好地實現測量和顯示功能。系統工作穩定可靠，性能優良，人機交互界面友好，且操作方便。