濾波器作為信號(hào)處理的關(guān)鍵組件為信號(hào)處理提供了極大的便利和靈活性

引言

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，濾波器作為信號(hào)處理的關(guān)鍵組件，廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)往往固定其工作頻率和帶寬，難以滿足復(fù)雜多變的信號(hào)處理需求。而基于單片機(jī)控制的程控有源濾波器，通過(guò)編程靈活調(diào)整濾波器的中心頻率、帶寬及品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)，為信號(hào)處理提供了極大的便利和靈活性。本文將詳細(xì)介紹一種基于單片機(jī)控制的程控有源濾波器電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

有源濾波器的基本原理

有源濾波器主要由運(yùn)算放大器、電阻和電容等元件組成，通過(guò)運(yùn)算放大器的增益和相位特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的濾波處理。開(kāi)關(guān)電容有源濾波器(Switched-Capacitor Filter, SCF)是一種特殊的有源濾波器，其基本原理是在電路兩節(jié)點(diǎn)之間接入具有高速開(kāi)關(guān)的電容器，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的通斷，等效于在兩節(jié)點(diǎn)之間連接一只電阻。這種濾波器具有設(shè)計(jì)靈活、集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)電容濾波器的工作原理

開(kāi)關(guān)電容濾波器的基本工作原理如圖1所示。在圖1(a)中，一個(gè)傳統(tǒng)的有源RC積分器通過(guò)圖1(b)中的方式進(jìn)行了改進(jìn)，使用CMOS開(kāi)關(guān)T1、T2和接地電容C1替代了輸入電阻R1。圖1(c)展示了不重疊的兩相時(shí)鐘脈沖，用于驅(qū)動(dòng)T1和T2。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)φ1為高電平時(shí)，T1導(dǎo)通(視為短路)，T2截止(視為開(kāi)路)，此時(shí)C1與輸入信號(hào)VI相連并充電;當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)φ2為高電平時(shí)，T1截止，T2導(dǎo)通，C1與輸入信號(hào)VI斷開(kāi)，而接至運(yùn)算放大器的輸入端，C1放電，充電電荷傳輸至C2。通過(guò)不斷重復(fù)這一過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的積分作用。

在節(jié)點(diǎn)1、2之間流過(guò)的平均電流iav可以表示為iav=C1VI/TC，其中TC為時(shí)鐘周期。若TC足夠短，可近似認(rèn)為這一過(guò)程是連續(xù)的，從而在兩節(jié)點(diǎn)間定義一只等效電阻Req，即Req=VI/iav=Tc/C1。由此，可以得到等效積分器的時(shí)間常數(shù)τ=C2Req=TCC2/C1。顯然，濾波器的頻率響應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ取決于時(shí)鐘周期TC和電容比值C2/C1，而與電容的絕對(duì)值無(wú)關(guān)。

基于單片機(jī)控制的程控有源濾波器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)

基于單片機(jī)控制的程控有源濾波器系統(tǒng)主要由單片機(jī)、可編程計(jì)數(shù)器、程控有源濾波器芯片(如MAX262)及外圍電路組成。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收用戶輸入，通過(guò)編程控制濾波器的參數(shù)設(shè)置;可編程計(jì)數(shù)器(如8254)用于產(chǎn)生精確的時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)濾波器工作;程控有源濾波器芯片則根據(jù)單片機(jī)發(fā)送的指令，調(diào)整濾波器的中心頻率、帶寬及品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)。

MAX262濾波器芯片介紹

MAX262是美國(guó)Maxim公司生產(chǎn)的雙二階通用開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，內(nèi)部集成有2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的二階通用開(kāi)關(guān)電容有源濾波器及1個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器OP。這兩個(gè)有源濾波器既可獨(dú)立使用，也可串聯(lián)使用。通過(guò)D0D1、A0～A3端口線在WR上升沿寫入所選中的內(nèi)部單元，可以設(shè)置濾波器的工作方式、中心頻率fO以及品質(zhì)因數(shù)Q等參數(shù)。其中，中心頻率fO的范圍為1Hz～140kHz，fCLKA和FCLKB為內(nèi)部開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)所需的外部時(shí)鐘，一般為中心頻率fO的幾十至上百倍。

電路設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)中，首先需要根據(jù)濾波器的性能要求，選擇合適的單片機(jī)和可編程計(jì)數(shù)器。以89C51單片機(jī)和8254可編程計(jì)數(shù)器為例，8254是3通道16位可編程計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)脈沖頻率可達(dá)10MHz，能夠向MAX262提供精確的時(shí)鐘頻率fCLKA和fCLKB。

系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)通過(guò)編程控制8254產(chǎn)生所需的時(shí)鐘信號(hào)，并通過(guò)并行接口向MAX262發(fā)送控制指令，設(shè)置濾波器的中心頻率、帶寬及品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)。MAX262根據(jù)接收到的指令，調(diào)整內(nèi)部電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的濾波處理。

濾波器性能分析

在濾波器性能分析中，主要關(guān)注濾波器的中心頻率、帶寬及品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)。對(duì)于低通濾波器，其-3dB截止頻率fc可以通過(guò)調(diào)整時(shí)鐘頻率fCLK和電容比值C2/C1來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Q=0.7時(shí)，fc=f0，在2fc處濾波器的幅頻增益應(yīng)小于-12dB。對(duì)于高通濾波器，其fc范圍及步進(jìn)值與低通模式相同，但在0.5fc處濾波器的幅頻增益應(yīng)小于-12dB。

為了精確控制濾波器的參數(shù)，單片機(jī)需要根據(jù)用戶輸入計(jì)算出相應(yīng)的分頻系數(shù)，并寫入8254。