1、程控滤波器原理、作用、特点

程控滤波器是指通过输入一定的控制信息，自动调节滤波器电路参数以实现滤波的一种滤波器。它在电子设备中广泛应用于通信、雷达、电视等领域。

1.程控滤波器原理

程控滤波器是通过输入控制电压或控制电流，调整其内部电路元件(如电阻、电容、电感等)参数以改变其频率响应的。

2.程控滤波器的作用

程控滤波器主要用于在特定频率范围内消除或衰减信号中的噪声或干扰，从而提高信号质量。例如在通信中使用程控滤波器可以消除不同的频率干扰信号，同时保留需要的通信信号。

3.程控滤波器有什么特点

程控滤波器具有以下特点：

调节方便：通过改变控制信号即可调整滤波器参数，省去了人工调整的繁琐过程。

高精度：由于采用先进的控制技术，其滤波器参数调节精度较高，可以实现复杂频率响应曲线的设计。

小型化：程控滤波器采用了微型化电路元件，使其体积和重量大大减小，具有较强的集成度。

2、可调增益程控滤波器的设计

在信号处理过程中，输入信号通常是夹杂噪声和干扰的微弱信号，而且信号强度、噪声和干扰的频率也是变化的，为了得到高信噪比的输出信号，就要求信号处理电路具有放大和滤波功能，且能够按照输入信号强度的不同，干扰、噪声频率的不同而改变信号处理电路的放大倍数和滤波器设置，可调增益程控滤波器就是为了适应这种要求而设计出来的一款信号处理电路。

1 系统设计

由于信号处理系统的输入信号是含有噪声干扰的微弱信号，因此首先该系统应该能对微弱信号进行放大，然后再滤波，滤除干扰和噪声;其次，该系统还应该能根据信号强度的大小和噪声干扰频率的不同，通过键盘重新设置系统的增益和滤波器的频率等，并且将当前的设定值显示出来。根据以上要求，该系统由三部分组成，即程控放大部分、程控滤波部分和键盘、显示部分。整个系统以89C51单片机为控制器，将这三部分连接起来构成一个可调增益程控滤波的信号处理电路，系统原理框图如图1所示。

单片机循环检测键盘输入，并根据键盘输入来控制程控放大部分的放大倍数和程控滤波部分滤波器的频率，并将键盘输入的给定值通过显示部分显示出来。

2 程控放大部分设计

该部分的功能主要是按照给定的增益对输入信号进行放大，也就是说放大倍数是由程序控制可调的，为了完成这样的功能，在这里选用运算放大器AD826和10位D/A转换器AD7520的内部电阻网络组成一个程控可调增益的放大电路。AD826具有50 MHz的增益带宽积和较高输出驱动能力，对于普通信号的放大完全可以满足。AD7520内部集成了10个模拟开关控制的电阻网络，而且这10个模拟开关是可编程控制的，根据这样的特点，用AD7520内部电阻网络与AD826共同组成程控增益部分电路。

(a)为AD7520内部的电阻网络，图2(b)为AD7520与AD826的硬件连接图，由图2可以得出放大电路输入与输出之间的关系式如式(1)。其中A1到A10的取值由模拟开关S1～S10的控制位BIT N(N从1到10)决定，当BIT N为“1”时，即开关打向与Iout1连接，则AN为1，反之AN为0。

式(1)表明，放大倍数可以从1～1 024之间任意调整，只要改变BIT1～BIT10相应位的逻辑状态就可以控制改变放大倍数。如：当BIT1～BIT10为3FFH时，由式(1)可计算出放大倍数是1倍，也就是0 dB;当为98H时放大倍数是10倍，也就是20 dB。要做到程控增益，只需要将单片机的I/O口P1.0～P1.7，P2.0～P2.1与AD7520的管脚BIT0～BIT9依次连接，通过程序控制单片机I/O口的输出状态即可完成程控增益的目的。

3 程控滤波部分设计

程控滤波部分采用可编程控制的滤波器芯片MAX261来实现。MAX261是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，它无需外围元件即可构成多种低通、高通、带通、带阻等滤波器，最大工作频率范围从0.4 Hz～57 kHz，其原理图如图3所示。用MAX261设计滤波器时主要是设计5个参数，时钟频率fCLK;中心频率f0，以及对应的编程系数Nf;品质因数Q，以及对应的编程系数Nq。其中fCLK由外部晶振频率决定。这5个参数之间是有相互关系的，计算起来很复杂，为了提高设计效率可用MAXIM公司为MAX261滤波器提供的专用设计软件来计算。在计算f0和Q时应选择不同的工作模式。

MAX261有五种工作模式，分别为：

模式1：可以构成-巴特沃思、切贝雪夫、贝塞尔滤波器实现全极点低通和带通滤波器。

模式2：用来构成全极点低通和带通滤波器，和模式1相比，优点在于能够获得更高的Q值和低噪声输出。

模式3：能构成高通滤波器，其最大输入时钟频率小于模式1中采用的频率。

模式3A：通过运用片内自由运放把模式3中高通与低通输出相加构成独立的带阻。

模式4：可提供全通输出，也可用来提供全极点低通和带通滤波器。

在设计滤波器时可根据需要选择相应的模式。

对MAX261编程，主要是将编程系数Nf和Nq写入滤波器A和B的存储器中。MAX261的硬件原理图如图3(b)所示，用单片机的I/O口P0.0～P0.3控制四位地址线，用P0.4和P0.5控制数据线，P0.6为写控制位WR。由于Nf是六位的二进制数：F0～F5，Nq是七位的二进制数：Q0～F6，而数据位只有两位，所以对MAX261编程时应按照表1所示的地址数据格式写入。

对MAX261写数据时，地址、数据和写控制位的时序按照图4所示时序操作。地址信号在写控制位低电平时有效，数据将在WR上升沿时被写入由地址确定的存储单元中。编程时先让P0口将地址、数据和WR同时送出，如P0=80H表示WR为低电平，准备将工作模式1的控制字写入滤波器A，接着让P0.6=1，即WR由低跳高，模式1控制字就被写入存储单元。

4 键盘和显示部分设计

键盘用3个按键K1，K2，K3即可完成。K1选择程控对象，即选择当前是对程控放大部分编程还是对程控滤波部分编程，当K1选定后，K2，K3定义为加、减选择，用来调整放大部分的增益或改变滤波部分的中心频率。显示部分用已封装好的LCD显示模块，不需要另行设计。

5 结 语

本系统将3个器件AD7520，AD826，MAX261有效地结合起来，以单片机为控制器来控制放大增益和滤波频率，实现了对输人小信号的前级放大，后级滤波，消除噪声干扰，最终输出一个真实有效测量信号，可完成对测量信号的处理功能。

3、程控滤波器概述_核心部分_系统测试

程控滤波器滤波器输入端采用同相放大电路进行阻抗匹配，使输入电阻达到兆欧数量级。该系统主要由3个部分组成：人机交互模块、双二阶环路滤波模块、可变电阻模块。

双二阶环滤波器电路的截止频率与Q值由其中某些电阻、电容值决定，且两参数相互独立。R-2R梯形网络、电流输出型DAC可等效为阻值仅受输入数据控制的电阻。通过由单片机控制的DAC作为等效电阻来控制滤波器的截止频率和Q值，可实现滤波器参数精确程控，且滤波器参数调节的精度随着DAC位数的增加而增大。该方案可由同一电路产生高通、低通、带通、带阻滤波器，节约了硬件资源，从而有效地降低设计成本。

概述　　测量系统从传感器拾取的信号中，往往包含有噪声和许多与被测量无关的信号，并且原始的测量信号经传输、放大、变换、运算及各种其他的处理过程，也会混入各种不同形式的噪声，从而影响测量精度。这些噪声一般随机性强，很难从时域中直接分离，但限于其产生的机理，其噪声功率是有限的，并按一定的规律分布于频域某一特定的频带中。信号分离电路一般采用滤波器实现噪声的抑制，提取所需的测量信号。但是系统中采用的滤波器的形式和截止频率往往是固定的，很难做到可调，这就给系统的设计带来一定的不便。然而，开关电容滤波器的使用可以很好地解决这一问题，但是开关电容滤波器的价格较高，会提高系统的设计成本.

核心部分　　本系统的核心部分为双二阶环路滤波器，双二阶环路滤波器利用两个以上由加法器、积分器等组成的运算放大电路，根据所要求的传递函数，引入适当的反馈构成滤波电路。其突出的特点是电路灵敏度低，因而特性稳定，并可实现多种滤波功能，经适当改进还可以减少运算放大器的数目。本系统采用了TI公司的四通道运放OPA404，设计了一个双二阶环滤波电路。OPA404是一款四路高速精密运算放大器，其带宽可达* MHz，电压摆率可达35 V/s，可以实现本系统的设计要求，电路原理图如图2所示。

系统测试　　该系统利用数字合成信号源、双踪示波器、仿真机、交流电压表进行了测试。调节输入信号的频率，并利用交流电压表记录输出电压的有效值，将实际测量值和预置值进行对比和分析。

对于低通或者高通滤波器，预置其Q值(品质因数)为0.707。测试结果表明，滤波器截止频率在100 Hz～50 kHz可调，实际测量的截止频率与设置值误差小于1%。在滤波器的阻带内，达到10倍频程40 dB衰减的效果，通带内起伏小于0.5 dB。

对于带通或者带阻滤波器，预置其Q值为5，测试结果表明，滤波器中心频率在600 Hz～7.2 kHz范围内可调，实际测量的Q值与预置值误差小于3%。

软件设计　　系统软件采用模块化和层次化的设计思想。采用模块化方法，即是对某一硬件模块进行控制时，只需调用相应的控制模块即可。模块内采用层次化设计，把底层的硬件接口处理编制为独立底层子程序，并向上提供处理的数据，且对上层功能模块屏蔽底层硬件接口部分。，主程序只需要调用相关的功能模块就可以方便构建系统。

本系统的软件部分主要由单片机组成，其中主要包括系统的初始化、中断的响应和中断的处理。该设计的功能实现以键盘的按键中断为主线，通过读入用户输入的键值，在相应的中断响应函数中以总线的方式与外部硬件电路进行数据的交换，实现对滤波器截止频率(中心频率)以及Q值的设定。

4、基于MAX262的程控滤波器的研制

随着科学技术的进步，单片机及相关电子技术飞速发展，应用领域不断拓展。利用单片机和滤波芯片实现高性能的程控滤波器，对宽动态范围的信号进行滤波，在工程领域应用十分广泛。

1 系统组成

系统由单片机、放大电路、滤波器、键盘和液晶显示电路组成，硬件结构框图如图1所示。

1.1 单片机系统

系统采用AT89S52作为控制核心，配备键盘和液晶显示电路。

AT89S52是Atmel公司新推出的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，它具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位 I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。其性能完全可以满足系统的要求。

键盘用于设定滤波器的中心频率和品质因数。

液晶显示采用OCMJ4X8A液晶显示屏，它内带汉字字库，可以方便地显示汉字及图形;可以同时显示4行8列个单元，可以一次显示系统所有状态信息;显示的内容不需要刷新，节省了单片机的资源;电路结构简单，便于控制，功耗低。

1.2 放大电路的设计

系统采用两片AD603顺序连接，两极间以电容耦合。由于一片AD603在已定制的模式下增益为-10～30dB，带宽为90MHz，故级联方式可使增益达到-20～60dB，控制电压为0～2V。该控制电压由单片机控制8位A/D转换器 ADC0832产生，其精度可达2V/256=0.0078125V，增益精度可达0.3125dB。因此，可以系统实现增益60dB，步进10dB。

1.3 滤波器的设计

程控滤波电路采用可编程滤波芯片MAX262。MAX262是CMOS型双二阶通用开关电容有源滤波器。两个二阶滤波器A和B分别有两个开关电容滤波网络(SCN)，并且相互独立，既可以单独使用，也可以级联，方便地实现四阶滤波。两个滤波器的时钟输入CLKA和CLKB可以由晶振、电容结合内部时钟电路产生，或者直接由外部时钟输入。它们允许输入信号的频率范围依赖于CLK。每一个滤波器的中心频率(或截止频率)f0、品质因数Q，以及滤波模式都可由2位输入的编程数据结合4位的地址输入进行精确设定。

系统的低通、高通范围截止频率在1～40kHz，根据中心频率的计算公式(式(1))，

中心频率将在500Hz～30kHz。系统在低通2Fc处，放大器与滤波器的总增益不大于30dB，相当于当放大器增益为40dB时2Fc处的滤波器增益应不大于10dB。对于MAX262，单片机要对其输入Q值和中心频率截止频率选1kHz时中心频率为500Hz，通过查表，此时Q至最小为0.5，按照幅频特性公式(式(2))，

2 软件设计

本设计基于MAX262实现滤波控制，由于MAX262芯片对信号中心频率和品质因数有相应的计算公式并且可以通过查表获得，根据系统对低频和高频截止频率的要求，可以方便地由查表算出所要求的F值和Q值，由单片机写入MAX262。

3 系统测试

3.1 测试仪器与方法

测试仪器有My-62型万用表、Xj4452数字存储示波器和Sg1651a信号发生器。

测试方法：用万用表与示波器对由函数发生器发生的信号与系统输出的信号及理论值三者进行比较分析，以测试系统的综合性能。

3.2 测试结果

放大器的测试结果如表1所示。

滤波器的测试结果如表2所示。

4 结束语

本系统充分发挥了AT89S52单片机强大的控制能力和数据处理能力，通过AD603精密放大器和MAX262滤波器，实现了程控高通和低通滤波器的功能。系统在实际应用中收到了满意的效果。

5、一种新型程控滤波器的设计

1 引言

在许多工程应用领域中信号频率的动态范围很宽。某些微机自动测试中频率在0.1~1 000 Hz之间变化;在旋转机械大型水轮机组的机械故障诊断和炮口冲击波压力场测试以及其他信号采集测量场合其信号频率在几赫兹到几千赫兹之间。因此有必要采用截止频率可以程控的滤波器对频率动态范围较宽的信号进行滤波。

MAX263是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，由微处理器精确控制滤波函数构成各种带通、低通、高通、陷波和全通配置，且无需外部元件。MAX262含有2个二阶滤波器，在程序控制下可设置中心频率f0、品质因数Q和滤波器的工作方式。

2 系统总体设计方案

系统总体设计包括数字和模拟两大部分。其中，数字部分包括单片机及FPGA中的放大器增益控制、时钟频率生成以及频率特性测量与显示3个模块;而模拟部分包括放大器、滤波器和幅频特性测试仪3个模块。其中放大器模块通过三级放大实现0～60 dB的增益调节，滤波器模块包括由集成滤波器MAX263构成的低通和高通滤波器以及自行设计的椭圆滤波器，而幅频特性测试仪模块则由DDS扫频信号源、有效值检波及A/D转换电路构成。

3 理论分析与计算

3.1 可变增益放大器控制信号

选用ADI公司的AD603作为可变增益放大器，该器件的增益与控制电压的关系：GAIN(dB)=40Vg+10，Vg为控制电压，改变范围为1 V。选用16位D/A转换器MAX542，用于给出双极性的控制电压，基准源取2.5 V，理论上增益步进的最小值为0.003 dB。

3.2 开关电容滤波器

3.2.1 确定滤波器Q值

采用MAXIM公司的集成开关电容滤波器MAX263，它可以通过外接引脚编程设置滤波器的Q值。Q值与带内最大增益G(V/V)之间的关系为C=Q/[1一(1/4Q2)]1/2，为使带内尽量平坦，则使G=1，代入公式可得p=0.707，故可将滤波器的Q值设置在O.707左右。

3.2.2 频谱混叠现象

由于时钟信号的存在，开关电容滤波器相当于一个采样系统，满足奈奎斯特采样定理。由于MAX263内部对时钟信号elk二分频，故clk/4附近及以上的信号都存在频谱混叠现象，从而使输出波形产生失真。为了解决这个问题，需要加大clk与截止频率的比值，使输入信号的频段远离时钟信号所在频段。

4 系统硬件设计

4.1 放大器电路

放大器电路分为三级。第一级采用低噪声运放进行固定增益放大，以提高输入信号的信噪比;中间级采用可变增益放大器AD603，动态增益范围为30 dB;后级为两档程控放大，增益之差为30 dB，实现0~60 dB的增益范围。其电路如图2所示。

4.2 四阶椭圆低通滤波电路

该电路为LC无源电路，如图3所示。根据滤波器设计手册中的归一化设计表格，查表得到所需要的电容电感值。实际测试结果为：带内摆幅小于0.5 dB，截止频率50 kHz左右。

5 系统软件设计

系统软件设计部分遵循结构化和层次化的设计原则，由主程序及若干子程序构成。子程序主要完成放大器增益设置、滤波器参数设置、幅频特性测试及人机交互等功能，主程序则通过调用子程序控制时序。该程序以按键中断为主线，以各项功能作为分支。

6 测试结果

本系统需要测试的数据主要是放大器的电压增益和滤波器一3 dB的截止频率。测试放大器增益时，利用毫伏表测出放大器输入及输出信号的有效值，将算出的增益与程序预置值相比较;测试滤波器截止频率时，改变输入信号的频率，同时利用毫伏表测出滤波器输出及输入信号的有效值，直到两者之比为一3 dB时记录频率值，然后再与预置值相比较。对放大器增益的测试。取选100 Hz，1 kHz，40 kHz 3个频率点来测试放大器增益，将预置增益和实际增益相比较。其中100Hz和1 kHz处的增益误差小于l%，40 kHz处的增益误差小于2%。

对截止频率的测试。在给出的10组预置值中，将实测值与预置值进行比较。测试结果表明，低通模式下截止频率的误差小于2.2%，高通模式下截止频率的误差小于2.5%。

7 结语

本系统设计实现了预期的基本功能和指标，并且扩展了在示波器上显示幅频特性曲线的功能，同时扩大了截止频率调节范围，缩小了步进量。当然，本系统还存在某些不足，其中，高通滤波器输出波形在某些频率点有较明显失真;放大器输出波形在幅值较小时信噪比较低。