基于單片機(jī)控制的可編程有源濾波器

引言

有源濾波器廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理、通信、自動(dòng)控制領(lǐng)域,但設(shè)計(jì)可變寬頻帶有源濾波器則比較困難。利用單片機(jī)控制參數(shù)可編程的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器,精確設(shè)置有源濾波器的中心頻率fO,品質(zhì)因數(shù)Q及有源濾波器的工作方式。

開關(guān)電容有源濾波器工作原理

開關(guān)電容有源濾波器的基本原理是在電路兩節(jié)點(diǎn)之間接具有高速開關(guān)的電容器，等效于兩節(jié)點(diǎn)之間連接一只電阻。一個(gè)有源RC積分器，采用一只接地電容C1和CMOS開關(guān)T1、T2替代輸入電阻R1。不重疊的兩相時(shí)鐘脈沖，用于驅(qū)動(dòng)T1、T2。時(shí)鐘頻率fCLK高于信號(hào)頻率。當(dāng)φ1為高電平時(shí)，T1導(dǎo)通(視短路)而T2截止(視開路)，此時(shí)C1與輸入信號(hào)VI相連并充電，即有電荷qcl=C1V1。當(dāng)φ2為高電平時(shí)，T1截止而T2導(dǎo)通，此時(shí)C1與輸入信號(hào)VI斷開而接至運(yùn)算放大器的輸入端，C1放電，充電電荷qc1傳輸至C2。每一時(shí)鐘周期Tc內(nèi)，從信號(hào)源提取的電荷qcl=C1VI提供至積分電容器C2。因此，在節(jié)點(diǎn)1、2之間流過的平均電流為iav=C1VI/TC。若TC足夠短，可近似認(rèn)為這一過程是連續(xù)的,因而可在兩節(jié)點(diǎn)間定義一只等效電阻Req,即Req=VI/iav和Req=Tc/C1。這樣可得到等效積分器時(shí)間常數(shù)τ，即τ=C2Req=TCC2／C1。顯然，濾波器頻率響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)τ取決時(shí)鐘周期TC和電容比值C2／C1，而與電容的絕對(duì)值無關(guān),集成電路工藝制作小容量電容易于實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電容比值恒定時(shí)，改變時(shí)鐘頻率，就可改變?yōu)V波器的截止頻率,即開關(guān)電容濾波器的基本工作原理。

MAX262簡(jiǎn)介

MAX262是美國Maxim公司生產(chǎn)的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，其引腳功能及內(nèi)部框圖所示。MAX262內(nèi)部集成有2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的二階通用開關(guān)電容有源濾波器及1個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器OP。這兩個(gè)有源濾波器既可獨(dú)立使用，也可串聯(lián)使用。對(duì)濾波器的工作方式，中心頻率fO，品質(zhì)可通過D0D1,A0~A3端口線在WR上升沿寫入所選中的內(nèi)部單元來設(shè)置濾波器的工作方式、中心頻率fO以及品質(zhì)因數(shù)Q等參數(shù)。詳見表1所列。其中，中心頻率fO的范圍為1 Hz～140 kHz。fCLKA和FCLKB為內(nèi)部開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)所需的外部時(shí)鐘，一般為中心頻率fO的幾十至上百倍。

MOM1為工作方式，僅在地址為A3A2A1A0=0000(或1000)時(shí)才能寫入。F0~F5為fO控制字，Q0~Q6為品質(zhì)因數(shù)Q的控制字。D0D1=00時(shí)為工作方式1，實(shí)現(xiàn)LP(低通)、BP(帶通)、N(陷波)功能：DOD1=01時(shí)為工作方式2，實(shí)現(xiàn)區(qū)別于工作方式1的LP(低通)、BP(帶通)、N(陷波)功能；D0D1=10時(shí)為工作方式3，實(shí)現(xiàn)LP、BP、HP(高通)功能；D0D1=10時(shí),若使用獨(dú)立運(yùn)放OP為工作方式3A，實(shí)現(xiàn)有別于工作方式3的LP、BP、HP功能。D0D1=11時(shí)為工作方式4，實(shí)現(xiàn)LP、BP、AP(全通)功能。MAX262有INA、INB兩個(gè)信號(hào)輸入端，允許最大輸入電壓振幅為±4．7 V。

程控有源濾波器硬件電路設(shè)計(jì)

利用89C51控制鍵盤顯示器8279、可編程計(jì)數(shù)器8254、可編程有源濾波器MAX262。其中8254是3通道16位可編程計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率可達(dá)10 MHz，可向MAX262提供精確的時(shí)鐘頻率fCLKA和fCLKB。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求濾波器可設(shè)置為低通，其-3 dB截止頻率fc在1 kHz~20 kHz調(diào)節(jié)頻率的步進(jìn)值為1 kHz內(nèi)要求在2fc處濾波器幅頻特性下降不小于10 dB；同時(shí)濾波器可設(shè)置為高通濾波器，其fc范圍及步進(jìn)值與低通模式相同，其要求0．5fc處濾波器幅頻特性下降不小于10 dB。將濾波器A設(shè)置為工作方式1,濾波器B設(shè)置為工作方式3。二階有源低通濾波器的傳遞函數(shù)為：GL(s)=HOLP[(ω0／(s2+2ω0/Q+ω0)]，(HOLP為直流增益)。令｜GL(s)｜為0．707HOLP處的頻率為fc,則

經(jīng)計(jì)算當(dāng)Q=0．7時(shí),fc=f0,2fc處幅頻增益為-12 dB(實(shí)測(cè)小于-12 dB)，滿足要求。對(duì)于高通濾波器當(dāng)q=0．7時(shí)，同樣要求增益在fc=f0處下降3 dB，而在0．5fc處幅頻增益為-12 dB。根據(jù)參考文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)，fCLKA/f0(或fCLKB/f0)的比值必須高于40．84。濾波器工作在方式1或方式3時(shí)，fCLK/f0=[π(26+N1)]/2，N1為F0~F5的值，取N1=10，則fCLK/fO=56．55。Q=64／(128-N2)，因?yàn)镼=0．7，所以N2=Q0～Q5=37。當(dāng)fO=1 kHz時(shí),fCLKB=56．55 kHz。

程控方式的實(shí)現(xiàn)

由MAX262工作原理可知，當(dāng)工作方式、F0～F5、Q0～Q5值寫入MAX262后，若要對(duì)濾波器的工作頻率fO實(shí)現(xiàn)步進(jìn)值為1 kHz的程控，只要使fCLKA/fO(或fCLKB/fO)的比值為56．55即可。本電路設(shè)計(jì)采用8254可編程計(jì)數(shù)器產(chǎn)生fCLKA和fCLKB。8254是3通道

16位可編程計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)脈沖頻率fCLK為10MHz，當(dāng)被設(shè)置為工作方式3時(shí)為方波發(fā)生器輸出,通道0的輸出作為fCLKA，通道1的輸出作為fCLKB。由于8254是16位可編程計(jì)數(shù)器，經(jīng)其分頻后輸出方波的頻率fCLKA和fCLKB對(duì)fO的比值接近56．55，若fCLKA、fCLKB為固定值，用F0～F5的設(shè)置時(shí),fCLKA/fO或fCLKB/fO僅有64種選擇，顯然精度較低。當(dāng)通過鍵盤輸入fO值后，單片機(jī)計(jì)算出相應(yīng)的分頻系數(shù)MA、MB寫入8254。若步進(jìn)值為固定值，則將對(duì)應(yīng)fO的MA、MB以表格形式進(jìn)行存儲(chǔ)，直接查表即可。

結(jié)束語

基于單片機(jī)控制的可編程有源濾波器可實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、陷波、全通濾波器。在程序控制下可精確地改變?yōu)V波器的帶寬、中心頻率及品質(zhì)因數(shù)Q，經(jīng)實(shí)際測(cè)試效果良好。當(dāng)MAX262作為低通濾波器使用時(shí)，為了抑制開關(guān)頻率fCLKA產(chǎn)生的噪聲，可在濾波器的輸出端串聯(lián)一個(gè)截止頻率小于最低fCLKA的連續(xù)時(shí)間的低通濾波器,其效果更好。
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