基于FPGA和Quartus II的程控滤波器测量系统的设计方案

1.引言

放大器和滤波器是现代电子系统的重要组成部分，其性能指标的优劣直接决定整个系统的性能。传统的放大器和滤波器大部分是固定放大倍数和固定的截止频率。在许多工程领域中，信号频率范围是动态的，约在几Hz到几十KHz之间，若按最大信号带宽下选择运算放大器的性能，会造成在较低信号频率下功耗浪费，因此需要可变截止频率的滤波器进行滤波。

本系统利用运算放大器、FPGA、D/A和LCD等核心器件设计程控滤波器和扫频测试仪，其中扫频测试仪可用于对滤波器的测试。输入为mV级信号，电压增益60dB,10dB可调，误差小于2%.高通、低通滤波器的截止频率在1kHz~30kHz,1kHz可调，误差小于2%.

2.系统结构设计与理论分析

2.1 系统结构框图

本系统主要由可控放大电路、滤波电路、正弦信号产生电路和FPGA构成，其系统框图如图1所示。

前级程控放大采用继电器来选择放大器的反馈电阻以实现不同的增益，滤波器采用电流型DAC构建传递函数实现，该方法便于控制而成本较低，正弦信号产生采用FPGA查找表的方法，能得理高精准的频率。控制核心采用NIOS,无需复杂的外路电路与FPGA进行通讯。

2.2 滤波器传递函数推导

高通/低通滤波器的原理图如图2所示，根据放大器的“虚短虚断”原理，低通的传递函数近似为：

其中滤波器的Q值为：

为得到平坦的巴特沃兹滤波器，则当Q=0.707时所对的ω即为低通截止频率。

此时有NB与fc成正比，NB为正数，为得到截止频率从1K到 ,则fc=1000NB/8,当NB=240时，fc=30KHz.选择C0=820pF,此时有(R1+R2)/R1=1.225,取R1=20KΩ，R2=4.5KΩ。

2.3 扫频测试原理在F P G A中的R O M导入1 2位的正弦数表， 共4 0 9 6 个点， 共有1 2 根地址线，FPGA的晶振为50MHz,通过锁相环倍频到200MHz,通过累加器输入频率控制字和相位控制字，控制查找表的速度，来实现不同频率的输出。

通过编程改变频率控制字，从而改变输出频率。系统对每一个不同频率的频点进行测量，经过A D 6 3 7将交流转换为直流后，通过TI公司的模数转换芯片ADS7886,将有效值送入处理器，并通过扫频的点绘制相应的曲线，得到频幅响应曲线。

3.硬件电路与软件实现

3.1 程控放大器

为得到很高的增益，采用两级放大器级联的方式来实现。用FPGA给74HC595发送控制字来控制继电器的开合，选择放大器的不同的反馈电阻，以实现不同的增益放大。图3所示为程控放大器的连接电路图。

每一级增益分配为0 d B 、1 0 d B 、20dB、30dB,通过模拟开关同时控制两级增益，可以使总体增益分别为0 d B、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB和60dB.

其中调节R9和R10可以抑制失调电压。

3.2 程控滤波器

图4给出程控滤波器的连接电路图，由四片LF356和一片TLC7528组成，其中LF356的增益带宽积为5MHz,系统中的最高频率为50KHz,故增益带宽积选用LF356能满足要求。

TLC7528是电流型双数模转换芯片，数字电源采用5V供电，在电路中其等效为可变电阻。

3.3 软件流程图

软件系统流程图如图5所示。

本设计的控制MCU采用Altera的NiosII软核实现，软件设计和编译、调试在Nios II IDE集成开发环境中完成。

软件需要实现的功能有：高低通滤波器与幅频特性测试功能的切换、前级放大增益的控制、滤波器截止频率的更改，还要控制扫频信号输出、信号有效值回采和幅频特性曲线的绘制。

本系统的功能切换并不复杂，需要控制的变量也不是很多，软件设计采用模块化和自顶向下的设计方式，软件系统中主要分成按键(输入)模块、LCD(显示)模块、数值发送模块、界面显示更新模块、输入处理模块等。每一个模块是否执行是通过标志位来确定的，主程序通过死循环检测每一个标志位的状态，来确定应该进入哪一个模块并实现相应的功能。

4.测试结果

固化程序后，用函数发生器和TDS1002B数字示波器来测试各指标，并分别记录其测量数据。用函数发生器输入频率为1KHz,峰-峰值为20mV的正弦波，记录程控放大器输出端的测试值如表1所示。

测量程控滤波器低通、高通特性，采用40dB的程控放大器增益，滤波器输出接负载1KΩ，测量数据如表2所示。

此外，设计的幅频特性测试仪可测量程控滤波器的高通、低通特性曲线，并在液晶上打点绘制曲线。

椭圆滤波器测量时，输入信号峰-峰值为5V,通带内最大峰-峰值为5.12V,在室温较高时测得截止频率为52.03KHz,室温较低时测得截止频率为49.2KHz.由此可见，该设计受温度影响较大，初步分析为电容的温度系数太大造成的。

5.结论

本文提出了基于FPGA和Quartus II的程控滤波器测量系统的设计方案。该方案以Altera公司的FPGA和Nois II为核心，采用运算放大器和模拟开关作为前级小信号放大器，以电流型DAC TLC7528等效为可变电阻，通过模拟电路构建传递函数实现可编程滤波，并通过FPGA查找表的方法数字合成正弦波通过DAC输出。然后，通过合成信号对程控滤波器进行扫频测试，并在实际焊接电路中实现，测试该可编程滤波器，前级的小信号增益可达1000倍，10dB步进。整个系统的构建可用于工程中信号的放大，滤波和检波处理，而实现了智能化的控制。