程控滤波器设计

目录0 引言 (2)1 方案的比较与选择 (1)1.1.1 方案比较 (3)1.1.2 系统总体设计方案与框图 (3)2 总体设计 (3)2.1.1 放大器模块 (3)2.1.1滤波器模块 (3)2.1.1人机交换模块 (3)3 程序设计 (8)4 实验调试与仿真 (7)5 结论 (8)6 心得体会 (9)7 致谢 (9)8参考文献 (9)程控滤波器摘要：程控滤波器在现代电子设计中有非常重要的作用.本设计可分为三个模块:放大器模块、滤波器模块、人机交换模块。

放大器模块采用AD605可控增益放大器芯片实现信号放大，因为电路难免产生干扰和噪声，我选用可控增益放大器来进行电压跟随，实现信号平稳。

滤波器模块若采用模拟方式实现，有控制不方便、容易受环境因素影响等缺点。

在当代数字信号处理技术飞速发展的情况下，针对这些不足，本文运用以FIR 滤波器为核心的设计方法，利用MATLAB与DSP Builder进行了理论的计算和FIR滤波器系数的设计以及结果的仿真，然后以DSP芯片为核心设计了整个滤波器的硬件平台。

人机交换模块通过硬件描述语言VHDL编程控制，更为简便。

经测试整个系统界面友好，操作方便，运行较稳定。

关键词：AD603可控增益放大器MATLAB DSP Builder FIR滤波Abstrac t: in modern electronic design program-controlled filter has important role. This design can be divided into three modules: amplifier module, filter modules and man-computer exchange module. Amplifier module USES AD605 controllable gain amplifier amplification, because chip realization circuit generation of hard to avoid interference and noise, I choose controllable gain amplifier to follow, realize the voltage signal smoothly. Filter modules if using simulated way realization, have not convenient, easy to control by environmental factor influence shortcomings. In contemporary digital signal processing technology rapid development situation, aiming at these shortages, this paper using FIR filters for core design method, using MATLAB and DSP Builder theoretical calculation and FIR filter coefficient of design and the result of the simulation, and then with DSP as the core design the whole filter hardware platform. Man-computer exchange module by VHDL programmable control, more simple. By testing the whole system friendly interface, easy to operate, the operation is stable.Keywords: AD603 controllable gain amplifier MATLAB DSP Builder FIR filters0 引言滤波器就是选频电路，可允许一部分频率的信号通过，而抑制另一部分频率的信号，它在数据采集、信号处理和通信系统等领域具有重要作用。

这里提出一种基于数字信号处理技术，借助软件设计FIR 滤波器，可自由实现低通、高通和带通模式，也可步进调节滤波器通带截止频率和放大器增益。

该程控滤波器设计成本低、实现简单，可广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制等领域。

1 方案的比较与选择1.1 方案比较本系统要求设计并制作一个程控滤波器。

综合分析，本系统的设计可以细分为以下几个模块：放大器模块、滤波器模块、人机交互模块。

（1）放大器模块方案一：采用仪表放大器实现。

单片仪表放大器（如AD620）增益可以在1～1000倍之间可调。

通过改变仪表放大器的反馈电阻，从而改变放大器的增益。

但是其单位增益带宽积只有12MHz ，不能满足系统要求的放大器的通频带特性。

方案二：采用可控增益放大器实现。

可控增益放大器（如AD605）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端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；AD605的通频带为40MHz ，由两级AD605级联，其增益动态调节范围可达96dB 。

综上所述：采用可控增益放大器，增益连续可调，电路简单，通频带完全满足题目要求。

所以我们采用方案二。

（2）滤波器模块方案一：采用有源RC 滤波器。

利用运算放大器和电阻、电容等分立元件构造低通和高通滤波器，然后通过继电器或模拟开关来切换不同的电阻值和电容值，借此改变滤波器的截止频率。

该方案简单易行，但是为了达到系统的基本要求，必须设计20多套参数来进行切换，硬件复杂，可操作性不强。

方案二：采用无源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相关参数，可以比较容易的设计出理想的滤波器。

但是如果要截止频率可调，只有改变电感电容参数，硬件会非常复杂。

方案三：采用开关电容滤波器。

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1/2c R Cf π=。

式中C 为开关电容组的电容，fc 为该滤波的时钟频率。

当用外部时钟改变c f 时，等效电阻R 改变，从而改变了滤波器的时间常数，也就改变了该低通滤波器的通频带。

此方案操作比较简单，而且目前市场上有集成的开关电容滤波器芯片（如MAX263,MAX297等），使用这些集成芯片，可以很大程度上节约设计时间，提高系统精度。

方案四：FIR 数字滤波器。

该方案是利用当代飞速发展的数字信号处理技术，先利用MATLAB 与DSP Builder 进行了理论的计算和FIR 滤波器系数的设计以及结果的仿真，再转换成VHDL 语言并在Quartus II 进行编译。

然后下载到以DSP 芯片为核心硬件平台中，继而在此硬件平台上完成了整个系统软件的设计。

本方案可完全实现题目的要求，在通带内波动较小，阻带衰减较大，运行非常稳定。

综上所述，结合我们所学的专业课程。

我们决定采用方案四。

1.2 系统总体设计方案与实现框图本系统采用可控增益放大器AD605作为放大器模块的核心，在输入信号进入AD605之前，先经一级前级放大。

然后在AD605之后再接后级放大，实现－13dB～67dB之间的增益调节。

采用DSP芯片构成滤波器模块，借助MATLAB与DSP Builder进行了理论的计算和FIR滤波器系数的设计以及结果的仿真，最后将生成的VHDL程序下载到芯片中，由键盘输入数据改变滤波器性能的，使用非常简单方便。

人机交换模块可以应用我们做学的EDA技术通过硬件描述语言VHDL，将要用到的四选一选择器、计数器、二四译码器通过编写程序，编译，下载到可编程芯片中，最后通过LED显示出来。

系统总体实现框图如图1所示,具体各个模块电路见单元设计及原理分析部分。

图1 系统总体实现框图2 总体设计2.1 模块设计本系统的设计可以细分为以下几个模块：放大器模块、滤波器模块、人机交互模块。

2.1.1 放大器模块我们以可控增益放大器AD605为核心来实现系统前级放大器。

根据题目要求，放大器输入正弦信号幅值为10mV，基本部分要求电压增益为40dB，发挥部分要求电压增益为60dB，所以放大器输出电压最大幅值为10V。

而AD605输出电压幅值一般在1.5V以下，并且AD605处于衰减工作状态时比较稳定，所以我们在信号进入AD605之前，先进行一级前级放大，放大增益为15dB，然后将两级AD605级联，将其增益设置在-28dB～32dB的变化区间。

这样前面两级电路输出电压的调整范围为－13dB～47dB。

在AD605之后，我们再通过继电器切换三级放大电路，放大增益分别为0dB，10dB，20dB。

这样系统前级放大器的增益在－13dB～67dB之间能以10dB步进可调。

放大器增益范围在－13dB～47dB之间时，用16位串口D/A MAX542输出电压控制AD605的增益控制端，其增益步进可以达到0.1dB。

其具体电路原理图如图2所示：图 2 放大器模块电路原理图2.1.2 滤波器模块2.1.3 人机交换模块该模块可以应用EDA技术通过编写硬件描述语言VHDL来实现，主要要编写以下几个模块的程序：4/1数据选择器，计数器，2/4译码器。

数据选择器用来选择低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)、陷波器(BEF)中的一种滤波器，计数器计数按钮按的次数，再通过2/4译码器译码用发光二极管显示出选用的是哪种滤波器。

VHDL程序见附录,其具体路原理图如图5所示：图5 人机交换模块原理图2.2 系统软件设计系统软件的设计主要有三个部分：（1）设置放大器的增益；（2）控制高通、低通、带通滤波器的切换并设定其截止频率；（3）人机交互。

系统软件流程图如图6所示：图6 系统软件流程图3 程序设计3.1 源程序依据人机交换模块的功能，采用VHDL语言编写源程序。

（1）四选一数据选择器程序--MUX4.VHDLIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY MUX4 ISPORT( D0,D1,D2,D3:IN STD_LOGIC;A:IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);Q:OUT STD_LOGIC);END MUX4;ARCHITECTURE ART OF MUX4 ISSIGNAL SEL:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);BEGINSEL<=A(1)&A(0);PROCESS(SEL)BEGINIF (SEL="00") THENQ<=D0;ELSIF(SEL="01") THENQ<=D1;ELSIF(SEL="10") THENQ<=D2;ELSEQ<=D3;END IF;END PROCESS;END ARCHITECTURE ART;（2）计数器程序--CNT4.VHDLIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT4 ISPORT (CLK: IN STD_LOGIC;RESET: IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0)); END CNT4;ARCHITECTURE ART OF CNT4 ISSIGNAL CQI: STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); BEGINPROCESS(CLK, RESET)BEGINIF RESET='1' THEN CQI<="00";ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THENIF CQI="11" THEN CQI<="00";ELSE CQI<=CQI+'1';END IF;END IF;END PROCESS;Q<=CQI;END ART;（3）二四译码器程序--DECODER24.VHDLIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY DECODER24 ISPORT (A: IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);CLR : IN STD_LOGIC;Y : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)); END DECODER24 ;ARCHITECTURE ONE OF DECODER24 ISSIGNAL INDATA:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);BEGININDATA<=A(1)&A(0);PROCESS (INDATA,CLR)BEGINIF CLR='1'THENY<="0000";ELSECASE INDATA ISWHEN "00" =>Y<="0001";WHEN "01" =>Y<="0010";WHEN "10" =>Y<="0100";WHEN "11" =>Y<="1000";WHEN OTHERS=>Y<=NULL;END CASE;END IF;END PROCESS;END ONE;（4）顶层模块设计-- KCSJ.VHDLIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY KCSJ ISPORT( D0,D1,D2,D3:IN STD_LOGIC;CLK:IN STD_LOGIC;RESET:IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC;Y:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));END KCSJ;ARCHITECTURE ART OF KCSJ ISCOMPONENT MUX4PORT( D0,D1,D2,D3:IN STD_LOGIC;A:IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);Q:OUT STD_LOGIC);END COMPONENT;COMPONENT DECODER24PORT( A: IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);CLR:IN STD_LOGIC;Y:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));END COMPONENT;COMPONENT CNT4PORT (CLK:IN STD_LOGIC;RESET:IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0));END COMPONENT;SIGNAL S: STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);BEGINU1:MUX4 PORT MAP(D0=>D0,D1=>D1,D2=>D2,D3=>D3,A=>S,Q=>Q);U2:DECODER24 PORT MAP(A=>S,CLR=>RESET,Y=>Y);U3:CNT4 PORT MAP(CLK=>CLK,RESET=>RESET,Q=>S);END ART;3.2 控制芯片4 实验调试与仿真4.1 放大器测试测试方法：放大器输入端输入峰值为10mV的正弦信号，将放大器增益设置为40dB，从100Hz开始增大输入信号的频率，用示波器测试放大器的通频带。