滤波器是一种用来肃清滋扰杂讯的器件，可用于对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除。它在电子领域中霸占很主要的地位，在旗子暗记处理、抗滋扰处理、电力系统、抗混叠处理中都得到了广泛的运用。而对付程控滤波器，该系统的最大特点在于其滤波模式可以程控选择，且-3 dB截止频率程控可调，相称于一个集多功能于一体的滤波器，将有更好的运用前景。此外，系统具有幅频特性测试的功能，并通过示波器显示频谱特性，可直不雅观地反应滤波效果。
1 方案论证与选择
1.1 可变增益放大模块的设计与论证
方案1：数字电位器掌握两级INA129级联。用FPGA掌握数字电位器DS1267使其输出不同的阻值，作为高精度仪表放大器INA129的反馈电阻。通过掌握数字电位器来改变INA129的放大倍数，从而实现放大器的增益可调。
方案2：采取可变增益放大器AD603实现。可变增益放大器内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入真个旗子暗记经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益掌握接口的参考电压决定；可通过单片机掌握，由DAC产生精确的参考电压掌握增益，从而实现较精确的数控。
由于输入的正弦小旗子暗记振幅10 mV，电压增益60 dB，10 dB步进程控可调，且电压增益偏差不能大于5％。对精度而言两个方案都可实现，在AD603后再加一级放大也可实现60 dB的放大倍数。但数字电位器内部构造繁芜，有电容影响，后级接运放后会带来意想不到的后果，因此采取方案2。
1.2 滤波器模块的设计与论证
方案1：采取数字滤波器。利用MATLAB的数字滤波器设计FIR或者IIR滤波器。数字滤波用具有精度高，截止特性好等优点。但是FIR滤波器会占用太多FPGA资源，IIR滤波器设计时事情量大且稳定性不高，且要使截止频率可调，必须利用不同的参数，设计起来软件量比较大。
方案2；采取无源LC滤波器。利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器。参照滤波器设计手册上的干系参数，可以比较随意马虎地设计出空想的滤波器。但是如果要截止频率可调，只有改变电感电容参数，硬件会非常繁芜。
方案3：采取集成的开关电容滤波器芯片。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。其开关电容组在时钟频率的驱动下，可以等效成一个和时钟频率有关的等效电阻。当用外部时钟改变时，等效电阻改变，从而改变了滤波器的韶光常敦，也就改变了滤波特性。开关电容滤波器可以直接处理仿照旗子暗记，而不必像数字滤波器那样须要A／D、D／A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。
综上所述，本系统采取方案3，利用集成芯片MAX297实现低通滤波器，利用LTC1068实现高通滤波器；采取方案2，利用无源LC滤波器技能来实现四阶椭圆低通滤波器。
2 系统总体设计方案及实现方框图
本系统以单片机及FPGA为掌握核心，由可控增益放大模块、程控滤波模块和幅频特性测试模块构成。系统框图如图1所示。输入振幅为1 V的旗子暗记经分压网络衰减后变成振幅10 mV的小旗子暗记，经OPA690前级放大2倍，同时起到阻抗变换和隔离的浸染。与此同时由AD9851产生一设定频率的正弦旗子暗记，通过仿照开关选择一道送到后级。旗子暗记由程序掌握AD603进行0～60dB的可调增益放大后，送入滤波模块。滤波模块包括低通、高通、椭圆滤波器，个中低通、高通由程序掌握-3 dB截止频率在1～30 kHz范围内可调，步进1kHz。椭圆滤波器截止频率50 kHz。再通过仿照开关选择某一特定滤波旗子暗记输出，经有效值检波和A／D转换后送入FPGA进行幅频特性的测试，再用两块DAC0800实现幅频特性曲线的显示。
3 紧张功能电路设计
3.1 放大模块
放大模块的详细电路如图2所示。第一部分是一个分压网络，个中前4个电阻将输入旗子暗记衰减100倍，并与旗子暗记源内阻共同构成51Ω阻抗，后面的51Ω为匹配电阻。第二部分采取OPA690将小旗子暗记放大2倍，同时起到阻抗变换和隔离的浸染。由于AD603输入阻抗为100Ω，以是在后面串接一个100 Ω的电阻进行匹配。第三部分即为AD603可变增益放大，它的增益随着掌握电压的增大以dB为单位线性增长。1脚的参考电压通过单片机进走运算并掌握DAC芯片输出电压来得到，从而实现精确的数控。增益G（dB）=40VG+G0，个中VG为差分输入电压，范围-500～500mV；G0是增益出发点，接不同反馈网络时也不同。在5、7脚间接一个5kΩ的电位器，从而改变。
3.2 高通滤波模块
LTC1068是低噪声高精度通用滤波器，当其用于高通滤波时，截止频率范围1 Hz～50 kHz，并且直至截止频率的200倍都无混叠征象。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多少电阻就可以实现低通、高通、带通和带阻滤波器的功能。详细电路如图3所示。个中B端口Q值0．57，A端口Q值约为1。在电路的调试中创造，A口的Q值需比B口Q值大，否则旗子暗记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内部对时钟旗子暗记CLK二倍频，以是当截止频率最小为1 kHz时，内部时钟频率实在为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，即可知足滤波器-3 dB截止频率在1～20kHz范围内可调，步进1 kHz的哀求。
在利用MAX297时要把稳的是，当旗子暗记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旗子暗记幅值的旗子暗记，相称于输入旗子暗记为直流的情形，使滤波器输出一个直流电平。同理，当旗子暗记频率为采样频率的整数倍时，也会涌现相同的征象。为此，在其前面，要增加仿照低通滤波器，把采样频率及其以上的高频旗子暗记有效地打消。故又用一级MAX297，截止频率设置为50kHz。个中时钟频率设置为2．5 MHz。在其后面，也要增加低通滤波器，其截止频率为150 kHz，以滤去旗子暗记的高频分量，使波形更加平滑。详细电路如图4所示。
3.4 四阶椭圆低通模块
系统哀求制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1 dB，-3 dB通带为50 kHz，采取无源LC椭圆低通滤波器来实现。用Filter Sol ution仿照仿真滤波器，随后在MulTIsim中再仿照仿真并调度电容、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。详细电路如图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。个中单片机紧张完成用户的输入输出处理和系统掌握，FPGA紧张完成的功能有：掌握AD9851产生扫频旗子暗记、掌握滤波器截止频率的时钟旗子暗记的产生以及掌握两块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
放大器输入真个正弦旗子暗记频率为10 kHz，振幅为10 mV，设定增益大小分别为10、20、30、40、50、60dB，用示波器丈量实际输出幅值，打算呈现实增益，其偏差小于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1～30 kHz范围，步进为1kHz。用示波器丈量实际截止频率，打算相对偏差小于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40 dB，用示波器丈量实际-3 dB截止频率和200 kHz处的总电压增益。测得fc=50．0kHz，在150 kHz处幅度就已险些衰减到0。
5.4 幅频特性与相频特性测试
丈量低通、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符合。
6 结束语
本系统放大器增益范围10～60 dB，通频带1～200 kHz，增益偏差小于1％。滤波器截止频率范围1～30kHz，偏差小于1．5％。椭圆滤波器截止频率偏差为0，在150 kHz处幅度险些衰减到0。偏差紧张于时钟频率，当截止频率为20 kHz的时候，所需最高的时钟频率为2MHz，不能担保很好的时钟沿，而且时钟频率也不可能精确地掌握，以及放大器的非线性偏差。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。全体系统在单片机和FPGA的有机结合、协同掌握下，事情稳定，丈量精度高，人机交互灵巧。
