基于单片机及FPGA的程控滤波器设计与实现

混叠现象。由于LTC1068的4个通道都是低噪声、高精度、高性能的2阶滤波器，因此每个通道只要外接若干电阻就可以实现低通、高通、带通和带阻滤波器的功能。具体电路如图3所示。其中B端口Q值0．57，A端口Q值约为1。在电路的调试中发现，A口的Q值需比B口Q值大，否则信号在截止频率处幅值会有上翘。

　　LTC1068的时钟频率与通带之比为200：1，由于LTC1068内部对时钟信号CLK二倍频，所以当截止频率最小为1kHz时，内部时钟频率其实为400kHz，故在LTC1068后面再加一个截止频率为450kHz的低通滤波器以滤除分频带来的噪声及高次谐波。

　　3．3低通滤波模块

　　用MAX297实现低通滤波器。开关电容滤波器MAX297可以设置为8阶低通椭圆滤波器，阻带衰减为-80dB，时钟频率与通带频率之比为50：1。通过改变CLK的频率，即可满足滤波器-3dB截止频率在1～20kHz范围内可调，步进1kHz的要求。

　　在使用MAX297时要注意的是，当信号频率和采样辨率同频，开关电容组在电容上各次采到相同的幅度为信号幅值的信号，相当于输入信号为直流的情况，使滤波器输出一个直流电平。同理，当信号频率为采样频率的整数倍时，也会出现相同的现象。为此，在其前面，要增加模拟低通滤波器，把采样频率及其以上的高频信号有效地排除。故又用一级MAX297，截止频率设置为50kHz。其中时钟频率设置为2．5MHz。在其后面，也要增加低通滤波器，其截止频率为150kHz，以滤去信号的高频分量，使波形更加平滑。具体电路如图4所示。

　　3．4四阶椭圆低通模块

　　系统要求制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，采用无源LC椭圆低通滤波器来实现。用FilterSolution模拟仿真滤波器，随后在Multisim中再模拟仿真并调整电容、电感的参数使其为标称值。此外，在椭圆滤波器前后接射级跟随器避免前后级影岣。具体电路如图5所示。

　　4系统软件设计

　　系统软件设计由单片机和FPGA组成，用户可以通过界面的显示选择高通、低通和椭圆滤波器，可以设置截止频率，同时可以显示幅频曲线。其中单片机主要完成用户的输入输出处理和系统控制，FPGA主要完成的功能有：控制AD9851产生扫频信号、控制滤波器截止频率的时钟信号的产生以及控制两块D／A以显示幅频特性曲线。程序流程图如图6所示。

　　5测试方案与测试结果

　　5．1放大器测试

　　放大器输入端的正弦信号频率为10kHz，振幅为10mV，设定增益大小分别为10、20、30、40、50、60dB，用示波器测量实际输出幅值，计算出实际增益，其误差小于1％。此外，测得放大器通频带为1～200kHz。

　　5．2低通、高通滤波器测试

　　将放大器增益设置为40dB，滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器截止频率在1～30kHz范围，步进为1kHz。用示波器测量实际截止频率，计算相对误差小于1．5％，且2fc处的电压总增益小于20dB。高通滤波器测试方法同理。

　　5．3椭圆滤波器测试

　　放大器增益设置为40dB，用示波器测量实际-3dB截止频率和200kHz处的总电压增益。测得fc=50．0kHz，在150kHz处幅度就已几乎衰减到0。

　　5．4幅频特性与相频特性测试

　　测量低通、高通滤波器的频率特性，在示波器上显示其幅频特性曲线，与所设置的滤波模式及截止频率相符。

　　6结束语

　　本系统放大器增益范围10～60dB，通频带1～200kHz，增益误差小于1％。滤波器截止频率范围1～30kHz，误差小于1．5％。椭圆滤波器截止频率误差为0，在150kHz处幅度几乎衰减到0。误差主要来源于时钟频率，当截止频率为20kHz的时候，所需最高的时钟频率为2MHz，不能保证很好的时钟沿，而且时钟频率也不可能精确地控制，以及放大器的非线性误差。此外，利用DAC0800和有效值检波电路实现了幅频特性测试仪，系统整体性能良好。整个系统在单片机和FPGA的有机结合、协同控制下，工作稳定，测量精度高，人机交互灵活。