程控滤波器的发展趋势

一、总体方案设计

1.1的程控放大器方案

题目要求放大器输入信号幅度为10mV，即峰峰值为20mV，电压增益为60dB，增益步长为10dB，电压增益误差小于5%，通带为100hz-40khz。

方案一:用低噪声运算放大器OP37根据需要放大6个不同幅度的通道，然后用继电器或模拟开关切换通道。该方案硬件实现简单，增益控制精确。但控制相对复杂，涉及元件多，不利于系统的快速实现。

方案2:使用可变增益放大器AD603的电压控制增益连接。AD603是一款低噪声、宽带(最大90M增益带宽积)可变增益运算放大器。根据文献给出的增益公式，可以直接得到增益的连续控制，结果是对数值。可以方便地实现0db到60dB的增益范围。

综合以上分析，我们认为方案2的可操作性最好，经过运放调整后，方案2很容易满足峰峰值要求，因此选择方案2。

1.2程控滤波方案

题目要求滤波器可设置为低通和高通滤波器，-3dB的截止频率为1k ~ 20kHz，频率步进为1K~20KHz，两个系统的总增益不大于30dB。我们正在考虑以下方案:

方案一:低通、高通、带通滤波器可以用现成的滤波器芯片实现，比如Maxim的开关电容滤波器芯片MAX262，中心频率范围可以从DC到140KHz，可以很好的满足题目的要求。

方案二:采用状态可调滤波器，由三个运算放大器和电阻电容组成。电路相对简单，可以实现三路输出:LPF、BPF和HPF。可以使用决定Q值的电阻和决定中心频率的电容，通过不同的电阻切换中心频率，实现1k ~ 20kHz的截止频率和1K~20KHz的频率步进。

方案3:通过使用状态可调滤波器来实现。利用DA内部的R-2R电阻网络，通过控制数字量来改变电阻，从而改变滤波器的中心频率，以满足题目的要求。

经过比较，我觉得第一种方案比较好，但是因为没有买开关电容滤波器的芯片，所以放弃了这种方案，采用了第三种方案，用数字量控制DAC0832的内阻网络来实现中心频率的变化。该方案可操作性强，容易满足要求。

1.3四阶椭圆滤波器

四阶椭圆滤波器的方案如下:

方案一:利用状态可调变量滤波器的LP、BP、HP输出可以得到二阶椭圆低通滤波器，串联两个二阶节可以实现四阶椭圆低通滤波器。

方案二:利用运算放大器，借助现有的滤波器求解软件和软件直接给出的电路，进行适当的调整，可以实现4阶低通椭圆滤波器。

对比两种方案，第一种方案可以很好的满足题目的要求，但是调试起来比较麻烦，技术要求也比较高。第二种方案电路形式简单，制作速度快，故采用第二种方案。

1.4幅频特性测试仪

课题要求我们制作一台幅频特性测试仪。扫频范围为100 Hz ~ 200 kHz，频率步进为10KHz。扫频方案采用DDS芯片，可以很好的实现线性扫频。有两种主要的检测方案:

方案一:先检测后放大的方案。检测放大方案一般采用峰值检测的方法。检测到输出后，使用步进分压器，然后使用直流放大器放大信号进行测量。然而，应该注意的是，检测器二极管的参数会影响最小信号的分辨率。

方案二:先放大再检测的方案。放大检测方案一般采用平均检测的方法。输入信号首先进入步进分压器，然后经过放大后送到平均值检波器。然而，应该注意的是，放大器的带宽会影响被测信号的频率范围。

我们要测试的频率范围是100 Hz ~ 200 kHz，对放大器增益和带宽积的要求不是很高，所以采用放大检波的方案。

二、系统设计:

整个系统分为两部分，程控滤波模块和幅频特性曲线测试模块。系统模块框图如下:(图省)

2.1可编程放大器的实现

根据题目要求，当输入峰峰值为20mV时，程控放大器的动态范围应为60dB，输出峰峰值应为2mV-20V。本设计采用AD603的连续模式(最佳信噪比)。该方案将两个AD603的增益曲线结合起来，以扩展动态范围。如下图所示，组合增益范围约为-20dB到60dB，可以满足题目动态范围的要求。

由于AD603的电源电压较低，因此输出电压幅度范围的要求可以通过使用基于AD603放大的具有更高电源电压的运算放大器来调整和实现。

2.4幅频特性曲线测试仪的实现

测试幅频特性曲线时，扫频由MSP430F1611单片机控制DDS实现，检测采用AD637进行有效值检测，ADS8505作为单片机外设对AD637的输出进行采样。单片机最小系统采用红外遥控键盘和320x640大液晶显示屏。

三、系统软件流程图:

3.1程控滤波器流程图如下:(图文省)

3.2幅频测试仪流程图:(保存图)

第四，系统测试

4.1测试仪器:

4.2主要测试结果:

4.3放大器测试数据

60dB测试平均增益误差为1.85%，平均电压增益误差为3.37%。

4.4过滤器参数的测试数据

截止频率的平均误差为0.027%。

4.5椭圆滤波器参数测试

-3dB的通带误差为(50-49.6)/50 = 0.8%。由于噪声较大，甚至有70 mV以上的DC输出，基本可以认为在现有条件下200K的增益是不准确的。本设计的参数是在示波器隔离的情况下测量的。

4.6误差分析

通过对仿真得到的电路参数进行修正，系统获得了良好的指标参数。但理论分析仍有较大误差，基本如下:

1.校准时，F40信号发生器用于产生20mV信号。信号的信噪比很差，噪声功率的干扰会引起误差的引入，还有幅频特性测试仪的信号源。

2.校准用的晶体管毫伏表本身就是机械表，会造成比较大的误差，同时人眼在读数时也会引入较大的误差。

3.这个题目模拟电路比较多。调试时会综合各方面对电路进行补偿，根据题目要求进行平衡，也会造成一些误差。

4.电源的使用往往是引入电路噪声的关键，尤其是在测量小信号时。

电路校正:通过误差分析，本设计做了一些运算来减小误差。

1.利用AD9954的自制PCB提高输出信号的信噪比。

2.使用仪器时，取多次平均值，以减少模拟仪表与人眼读数之间的误差。

3.对关键的模拟电路做PCB，对信号的接地进行特殊处理，降低模拟电路的调试难度。

4.电源系统采用隔离性好的R型变压器，从源头上减少噪声的引入。

动词 （verb的缩写）设计总结

经过几天的努力，我们终于达到了题目给出的所有要求。同时，由于时间紧迫，系统还不完善。比如幅频特性测试仪的图形显示就不是很人性化。虽然我们知道椭圆滤波器是几个滤波器叠加的结果，没有足够的时间去推导和制作，但是加深对电子设计知识的理解和团队合作是大赛最大的收获。