基于MSP430和MAX262程控滤波器的设计

摘要：随着手持设备的广泛应用，为了满足系统设备的低功耗要求，设计了基于单片机MSP430、数字频率源LTC6903、开关电容滤波芯片MAX 262的低功耗程控滤玻器。系统采用单片机控制数字频率源芯片LTC6903提供步进可调的时钟信号，以实现对滤波器截止频率的灵活调节和滤波类型的转换。该系统改善了传统有源滤波器器件参数设计困难，截止频率等参数难以灵活控制和调节的问题。与传统有源滤波器相比，可以完成低通、高通、带通、陷波功能的转换，滤波器Q值范围0．5～8程控调节，截止频率在100Hz～40 kHz之间100Hz步进可调。此外，系统在3．3 V的供电条件以及单片机的ShutDown模式下，比一般的程控滤波器具有更低的功耗。
关键词：可编程；开关电容滤波器；单片机；幅频特性测试

在电子系统中，滤波器是数据采集、信号处理等方面不可缺少的重要环节，如信号采集前的噪声滤除，D／A转换输出的“阶梯状”滤波等等。一般的有源滤波器由运算放大器、RC元件组成，但这种滤波器的截止频率、Q值等参数都是固定不变的，在某些信号频率动态范围较宽的场合就不适宜使用。因此，有必要采取多种截止频率的滤波器，如程控滤波器，对动态范围较宽的信号进行滤波。美国Maxim公司生产的可编程滤波器芯片MAX262可以通过编程进行各种参数的设置，实现低通、高通、带通、陷波等处理，且滤波的特性参数如中心频率、品质因素等，均可以通过程序设置。
本文介绍以低功耗单片机MSP430F449为控制核心，通过凌特公司数字频率源芯片LTC69034产生时钟信号精确控制MAX262，以及其与外围电路构成能实现多种功能的新颖滤波器系统的设计。本设计最大特点在于数字频率源LTC6903与MAX262的结合使用，以及MSP430具有的低功耗功能，当系统超过一定时间没信号输入时程序可以自动关闭CPU进入节能省电模式。

1 系统设计方案
系统方案设计如图1所示，VCA810程控放大器作为信号输入的前级放大，其增益由单片机控制D／A芯片TLV5616输出电压来调节，步进精度可达1 dB，范围在-40～40 dB。滤波模块以可编程芯片MAX262作为核心，通过单片机MSP430和LTC69034程控时钟信号芯片进行截止频率的低步进调节以及品质因素的智能控制。

本设计的特点之一在于MSP430具有低功耗性能，当系统末级超过一定时间没有检测到信号输入时，程序将自动关闭CPU并处于低功耗状态，直到有信号输入为止。这样的设计能使系统更为节能，防止无用地消耗能源。此外，系统附加了幅频特性测试模块，扫频信号由AD公司的AD9851来产生，频率步进精确到1 kHz。当信号从被测网络输出后通过AD637检测到有效值，再采用MSP430F449内部集成的A／D模块进行采样处理，最后驱动双口D／A在液晶显示幅频特性曲线。
2 硬件电路
2．1 前级放大模块
系统前级采用VCA810程控放大芯片，该芯片具有-40～40 dB增益连续可调的放大功能，其增益可由单片机控制D／A芯片TLV5616输出电压Vc给VCA810的3号引脚来调节，具体增益与电压的关系为：G(db)=-40·(Vc+1)dB。
如图2所示，信号输入系统经过同相放大后输出给后级，由于VCA810具有较宽的增益调节，对输入信号幅度要求较小，可以根据实际的信号大小来控制放大器的增益倍数，因此本系统可以用于小信号的滤波。此外，VCA810的带宽为25 MHz，故输入的信号可以达到较高的频率，大致可实现宽带的放大滤波功能。在调试过程中，由于VCA81 0控制引脚对噪声要求较高，尤其3号GAIN引脚对电压波动范围需要在mV级别以内，因此必须在靠近VCA810的3号脚加上钽电容10μF与0．1μF并联进行去耦，否则输出的信号效果比较差。

2．2 滤波叠模块
MAX262具有A、B两个二阶开关电容有源滤波器，它由单片机精确控制滤波函数即可构成低通、高通、带通、带阻等滤波器，且有外围电路少、功能强大的优点。MAX262可在程序控制下设置中心频率fo，品质因素Q以及滤波器的工作方式。截止频率调节可有两种方式，方案1是固定fCLK与fo的比率，改变fCLK来调节；方案2是外部电路采用固定晶振给CLK时钟，改变fCLK与fo的比率关系来调节。由于系统要实现低步进调节，故采用前者方案。
如图3所示，为了得到稳定的时钟信号源，本设计采用凌特公司LTC69034产生可控的时钟信号给MAX262的CLKA与CLKB引脚。其输出时钟频率由以下公式决定；f=2oct·207 8／(2-DAC／1024)Hz。由于LTC69034输出频率步进精度高，时钟信号幅频非常稳定，在高频段可达到10kHz的步进。假设需要固定MAX262的fCLK与fo比率为100．53倍关系，故滤波器截止频率可在100Hz～40kHz之间以100Hz为连续步进调节。