1程控設(shè)計方案比較分析

1.1的設(shè)計

方案1：傳統(tǒng)分立元件組成的無源存在諸如帶內(nèi)不平坦、頻帶范圍窄且恒定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點。

方案2：運算構(gòu)成的有源濾波器設(shè)計簡單，但存在截止頻率調(diào)節(jié)范圍的局限性，難以實現(xiàn)高精度截止頻率調(diào)節(jié)。

方案3：引腳可編程的電容濾波器。該器件內(nèi)部集成了濾波器所需的電阻、電容，無需外接器件，且其中心頻率、Q值及工作模式都可通過引腳編程設(shè)置進(jìn)行控制。可工作于帶通、低通、高通、帶陷或是全通模式下，其通帶截止頻率可達(dá)140 kHz。

綜上所述，故系統(tǒng)的濾波器設(shè)計選用方案3。

1.2的設(shè)計

方案1：采用普通寬帶運算構(gòu)成放大電路，分立元件構(gòu)成AGC，利用包絡(luò)檢波反饋至放大器的方法控制放大倍數(shù)。采用場效應(yīng)管作為AGC控制可實現(xiàn)高頻率和低噪聲，但溫度、電源等漂移將引起分壓比變化，采用這種設(shè)計方案難以實現(xiàn)系統(tǒng)增益的精確控制和穩(wěn)定性。

方案2：采用可編程放大器的思想，將交流輸入信號作為高速D／A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，該D／A轉(zhuǎn)換器可視為一個程控。理論上講，只要D／A轉(zhuǎn)換器的速度夠快、精度夠高就可實現(xiàn)寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但控制的數(shù)字量和最后的增益(dB)不是線性關(guān)系而是指數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致增益調(diào)節(jié)不均勻，精度降低。 方案3：采用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA實現(xiàn)增益控制。電壓控制增益便于控制，同時可減少噪聲和干擾。采用可變增益放大器作為增益控制。是一款低噪聲、精密控制的可變增益放大器，溫度穩(wěn)定性高，其增益與控制電壓成線性關(guān)系，因此便于使用D／A轉(zhuǎn)換器輸出電壓控制放大器增益。

綜上所述，故系統(tǒng)的放大器設(shè)計選用方案3。

2程控濾波器設(shè)計

程控濾波器主要由程控放大器、濾波器和信號采集等模塊組成，如圖1所示。幅頻特性測試儀主要由掃頻源、信號采集、顯示等電路組成。其工作原理：輸入信號經(jīng)衰減網(wǎng)絡(luò)衰減至10 mV，設(shè)置放大器和濾波器的參數(shù)，選擇相應(yīng)的濾波器，和控制產(chǎn)生正弦輸出信號，再經(jīng)濾波、AGC后得到掃頻輸出信號，單片機和共同控制D／A轉(zhuǎn)換器輸出幅頻特性曲線在上顯示。

3理論分析與計算

3.1程控放大器

的基本增益為：

其中，VG是差分輸入電壓，單位是V，Gain是AD603的基本增益，單位是dB。由式1看出，以dB作單位的對數(shù)增益與電壓成線性關(guān)系。由此，單片機通過簡單的線性計算就可控制對數(shù)增益，從而準(zhǔn)確實現(xiàn)增益步進(jìn)。

3.2程控濾波器

編程設(shè)置的M0、M1引腳使其工作在模式1、2、3、4多種模式下，但只有模式3具有高通濾波功能，因而本系統(tǒng)設(shè)計采用模式3實現(xiàn)低通和高通濾波功能。

模式3下的輸入時鐘與中心頻率的關(guān)系(以下僅以低通濾波器作為分析，高通濾波器類似)為：

其中，fCLK為輸入時鐘頻率，f0為濾波器中心頻率，N由外部輸入。

f0與截止頻率fc的關(guān)系：

其中，Q為濾波器的品質(zhì)因數(shù)。

因此fCLK與fc具有函數(shù)關(guān)系，可通過設(shè)置fCLK實現(xiàn)fc的設(shè)置。取Q=0.707，fCLK／fc=π(N+13)，實現(xiàn)fc的設(shè)置。

3.3橢圓低通濾波器

橢圓函數(shù)濾波器的衰減特性為：

其中，ε由波紋確定，Zn(Ω)為n階的橢圓函數(shù)，對于偶數(shù)n階的橢圓函數(shù)，其極點和零點表示為：

其中，m=n／2。所以對于4階的橢圓函數(shù)濾波器，阻帶和通帶內(nèi)波紋相等，而且阻帶內(nèi)的陷波點數(shù)為1。

因此橢圓濾波器在通帶和阻帶內(nèi)特性允許起伏，并具有最佳截止特性，但對元件數(shù)值要求特別嚴(yán)格。
根據(jù)選用RdB=0.5 dB，Amin=70 dB，Ωs=3.91查歸一化圖表得C1=1.226 F,C2=0.043 80 F,L2=1.241 H，C3=1.904 F,L4=0.845 9 H，用Z=510 Ω和頻率標(biāo)定系數(shù)FSF=2πfc(fc截止頻率，即50 kHz)對濾波器去歸一化，C"=C／(FSF×Z)，L"=L×Z／FSF，得出參數(shù)后采用Multisim仿真調(diào)整參數(shù)，并且設(shè)計相關(guān)電路測試得出如下參數(shù)：C1=6.8 nF，C2=39 pF，L2=2.2 mH+220μH=2.42 mH，C3=10 nF，L4=1 mH+620 mH=1.62 mH。其橢圓如圖2所示。

4硬件電路設(shè)計

4.1程控放大電路

該電路采用兩片AD603級聯(lián)實現(xiàn)可控增益范圍為0 dB～60 dB。AD603單片增益范圍為10 dB～30 dB，輸入控制電壓范圍為0 V～1 V。其中，一級AD603如圖3所示。由于AD603的輸入阻抗僅100 Ω，要滿足系統(tǒng)電阻要求，必須增加輸入緩沖來提高輸入阻抗。另外由于前級電路影響電路噪聲，須盡量減少噪聲，故采用一級儀表運算放大器構(gòu)成的放大電路作為前級小信號放大器。

4.2低通和高通

系統(tǒng)設(shè)計采用引腳可編程濾波器MAX264實現(xiàn)低通或高通濾波器，如圖4所示(衰減放大網(wǎng)絡(luò)略)。電路設(shè)計采用單極性輸入模式，其輸入電壓范圍0 V～5 V，調(diào)理電路應(yīng)將信號調(diào)理至其輸入范圍。調(diào)理過程：信號首先經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)使其峰-峰值為-2.5 V～+2.5 V，再由加法器將信號調(diào)節(jié)為0 V～5 V，濾波后，減法器將信號變?yōu)?2.5 V～+2.5 V，放大網(wǎng)絡(luò)補償平衡衰減，最后輸出至有效值來轉(zhuǎn)換電路。

4.3幅頻特性測試電路

幅頻特性測試電路主要是由DDS 與AGC構(gòu)成的掃頻源、有效值轉(zhuǎn)換，以及12-bit ADCMAX197采樣電路和構(gòu)成的顯示電路組成。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用軟件工程設(shè)計思想，主要實現(xiàn)人機界面的交互，包括提示信息顯示、系統(tǒng)狀態(tài)選擇、參數(shù)輸入、輸入?yún)?shù)顯示、系統(tǒng)啟動與復(fù)位。軟件設(shè)計系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

6測試結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)置為放大器電壓增益范圍測試模式，在放大器電壓增益測試端口利用 型數(shù)字觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量其輸出幅度，滿足系統(tǒng)要求。

系統(tǒng)分別設(shè)定為低通濾波器和高通濾波器測試模式，在放大器電壓增益測試端口以及濾波器輸出端口中利用型數(shù)字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量截止頻率處及2倍截止頻率處其輸出幅度，各參數(shù)滿足系統(tǒng)要求。

系統(tǒng)設(shè)定為橢圓濾波器測試模式，在濾波器輸入端口和濾波器輸出端口采用數(shù)字示波器觀察其輸出信號在不失真的情況下，測量其通帶內(nèi)和截止頻率處輸出幅度。 濾波器輸入幅值為1 V時通帶內(nèi)最大輸出幅值為1.10 V，增益為0.828 dB，滿足帶內(nèi)起伏≤1 dB的要求。-3 dB截止頻率為52 kHz，滿足-3 dB通帶誤差不大于5％的要求。