基于FPGA的程控濾波器的設計

摘要：以單片機和可編程邏輯器件(FPGA)為控制核心，設計了一個程控濾波器，實現(xiàn)了小信號程控放大、程控調整濾波器截止頻率和幅頻特性測試的功能。其中放大模塊由可變增益放大器AD603實現(xiàn)，最大增益60dB，10dB步進可調，增益誤差小于1％。程控濾波模塊由MAX297低通濾波、TLC1068高通濾波及橢圓低通濾波器構成，濾波模式用模擬開關選擇。本系統(tǒng)程控調整有源濾波的-3 dB截止頻率，使其在1～30 kHz范圍內可調，誤差小于1．5％。此外，采用有效值采樣芯片AD637及12位并行A／D轉換器MAX120實現(xiàn)了對掃頻信號幅度的測量。
關鍵詞：程控濾波器；可變增益放大；截止頻率可調；幅度測量

濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，可用于對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除。它在電子領域中占有很重要的地位，在信號處理、抗干擾處理、電力系統(tǒng)、抗混疊處理中都得到了廣泛的應用。而對于程控濾波器，該系統(tǒng)的最大特點在于其濾波模式可以程控選擇，且-3 dB截止頻率程控可調，相當于一個集多功能于一體的濾波器，將有更好的應用前景。此外，系統(tǒng)具有幅頻特性測試的功能，并通過示波器顯示頻譜特性，可直觀地反應濾波效果。

1 方案論證與選擇
1．1 可變增益放大模塊的設計與論證
方案1：數(shù)字電位器控制兩級INA129級聯(lián)。用FPGA控制數(shù)字電位器DS1267使其輸出不同的阻值，作為高精度儀表放大器INA129的反饋電阻。通過控制數(shù)字電位器來改變INA129的放大倍數(shù)，從而實現(xiàn)放大器的增益可調。
方案2：采用可變增益放大器AD603實現(xiàn)。可變增益放大器內部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡和固定增益放大器構成，加在其梯型網(wǎng)絡輸入端的信號經衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定；可通過單片機控制，由DAC產生精確的參考電壓控制增益，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。
由于輸入的正弦小信號振幅10 mV，電壓增益60 dB，10 dB步進程控可調，且電壓增益誤差不能大于5％。對精度而言兩個方案都可實現(xiàn)，在AD603后再加一級放大也可實現(xiàn)60 dB的放大倍數(shù)。但數(shù)字電位器內部結構復雜，有電容影響，后級接運放后會帶來意想不到的后果，因此采用方案2。
1．2 濾波器模塊的設計與論證
方案1：采用數(shù)字濾波器。利用MATLAB的數(shù)字濾波器設計FIR或者IIR濾波器。數(shù)字濾波器具有精度高，截止特性好等優(yōu)點。但是FIR濾波器會占用太多FPGA資源，IIR濾波器設計時工作量大且穩(wěn)定性不高，且要使截止頻率可調，必須使用不同的參數(shù)，設計起來軟件量比較大。
方案2；采用無源LC濾波器。利用電感和電容可以搭建各種類型的濾波器。參照濾波器設計手冊上的相關參數(shù)，可以比較容易地設計出理想的濾波器。但是如果要截止頻率可調，只有改變電感電容參數(shù)，硬件會非常復雜。
方案3：采用集成的開關電容濾波器芯片。開關電容濾波器是由MOS開關、MOS電容和MOS運算放大器構成的一種大規(guī)模集成電路濾波器。其開關電容組在時鐘頻率的驅動下，可以等效成一個和時鐘頻率有關的等效電阻。當用外部時鐘改變時，等效電阻改變，從而改變了濾波器的時間常敦，也就改變了濾波特性。開關電容濾波器可以直接處理模擬信號，而不必像數(shù)字濾波器那樣需要A／D、D／A變換，簡化了電路設計，提高了系統(tǒng)的可靠性。
綜上所述，本系統(tǒng)采用方案3，利用集成芯片MAX297實現(xiàn)低通濾波器，利用LTC1068實現(xiàn)高通濾波器；采用方案2，利用無源LC濾波器技術來實現(xiàn)四階橢圓低通濾波器。

2 系統(tǒng)總體設計方案及實現(xiàn)方框圖
本系統(tǒng)以單片機及FPGA為控制核心，由可控增益放大模塊、程控濾波模塊和幅頻特性測試模塊構成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。輸入振幅為1 V的信號經分壓網(wǎng)絡衰減后變成振幅10 mV的小信號，經OPA690前級放大2倍，同時起到阻抗變換和隔離的作用。與此同時由AD9851產生一設定頻率的正弦信號，通過模擬開關選擇一道送到后級。信號由程序控制AD603進行0～60dB的可調增益放大后，送入濾波模塊。濾波模塊包括低通、高通、橢圓濾波器，其中低通、高通由程序控制-3 dB截止頻率在1～30 kHz范圍內可調，步進1kHz。橢圓濾波器截止頻率50 kHz。再通過模擬開關選擇某一特定濾波信號輸出，經有效值檢波和A／D轉換后送入FPGA進行幅頻特性的測試，再用兩塊DAC0800實現(xiàn)幅頻特性曲線的顯示。