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解读FPGA设计程控滤波器系统电路

2015-02-10 02:00
孤身万里游
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  以单片机和可编程逻辑器件(FPGA)为控制核心,设计了一个程控滤波器,实现了小信号程控放大、程控调整滤波器截止频率和幅频特性测试的功能。其中放大模块由可变增益放大器AD603 实现,最大增益60dB,10dB 步进可调,增益误差小于1%。程控滤波模块由MAX297低通滤波、TLC1068 高通滤波及椭圆低通滤波器构成,滤波模式用模拟开关选择。本系统程控调整有源滤波的-3dB 截止频率,使其在1~30kHz 范围内可调,误差小于1.5%。此外,采用有效值采样芯片AD637及12 位并行A/D 转换器MAX120实现了对扫频信号幅度的测量。

  滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件,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。它在电子领域中占有很重要的地位,在信号处理、抗干扰处理、电力系统、抗混叠处理中都得到了广泛的应用。而对于程控滤波器,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,相当于一个集多功能于一体的滤波器,将有更好的应用前景。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,可直观地反应滤波效果。

  放大模块

  解读FPGA设计程控滤波器系统电路

  放大模块的具体电路如图2 所示。第一部分是一个分压网络,其中前4 个电阻将输入信号衰减100 倍,并与信号源内阻共同构成51Ω阻抗,后面的51Ω为匹配电阻。第二部分采用OPA690(将小信号放大2 倍,同时起到阻抗变换和隔离的作用。由于AD603输入阻抗为100Ω,所以在后面串接一个100 Ω的电阻进行匹配。第三部分即为AD603可变增益放大,它的增益随着控制电压的增大以dB为单位线性增长。1 脚的参考电压通过单片机进行运算并控制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,其中VG 为差分输入电压,范围-500~500mV;G0 是增益起点, 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。

  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1Hz~50 kHz,并且直至截止频率的200 倍都无混叠现象。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若干电阻就可以实现低通、高通、带通和带阻滤波器的功能。具体电路如图3 所示。其中B 端口Q 值0.57,A 端口Q 值约为1。在电路的调试中发现,A 口的Q值需比B 口Q 值大,否则信号在截止频率处幅值会有上翘。

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  LTC1068的时钟频率与通带之比为200:1,由于LTC1068内部对时钟信号CLK二倍频,所以当截止频率最小为1 kHz 时,内部时钟频率其实为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。

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