可调增益程控滤波器的设计

在信号处理过程中，输入信号通常是夹杂噪声和干扰的微弱信号，而且信号强度、噪声和干扰的频率也是变化的，为了得到高信噪比的输出信号，就要求信号处理电路具有放大和滤波功能，且能够按照输入信号强度的不同，干扰、噪声频率的不同而改变信号处理电路的放大倍数和滤波器设置，可调增益程控滤波器就是为了适应这种要求而设计出来的一款信号处理电路。

1 系统设计

由于信号处理系统的输入信号是含有噪声干扰的微弱信号，因此首先该系统应该能对微弱信号进行放大，然后再滤波，滤除干扰和噪声；其次，该系统还应该能根据信号强度的大小和噪声干扰频率的不同，通过键盘重新设置系统的增益和滤波器的频率等，并且将当前的设定值显示出来。根据以上要求，该系统由三部分组成，即程控放大部分、程控滤波部分和键盘、显示部分。整个系统以89C51单片机为控制器，将这三部分连接起来构成一个可调增益程控滤波的信号处理电路，系统原理框图如图1所示。

图1中，单片机循环检测键盘输入，并根据键盘输入来控制程控放大部分的放大倍数和程控滤波部分滤波器的频率，并将键盘输入的给定值通过显示部分显示出来。

2 程控放大部分设计

该部分的功能主要是按照给定的增益对输入信号进行放大，也就是说放大倍数是由程序控制可调的，为了完成这样的功能，在这里选用运算放大器AD826和10位D／A转换器AD7520的内部电阻网络组成一个程控可调增益的放大电路。AD826具有50 MHz的增益带宽积和较高输出驱动能力，对于普通信号的放大完全可以满足。AD7520内部集成了10个模拟开关控制的电阻网络，而且这10个模拟开关是可编程控制的，根据这样的特点，用AD7520内部电阻网络与AD826共同组成程控增益部分电路，原理如图2所示。

图2(a)为AD7520内部的电阻网络，图2(b)为AD7520与AD826的硬件连接图，由图2可以得出放大电路输入与输出之间的关系式如式(1)。其中A1到A10的取值由模拟开关S1～S10的控制位BIT N(N从1到10)决定，当BIT N为“1”时，即开关打向与Iout1连接，则AN为1，反之AN为0。

式(1)表明，放大倍数可以从1～1 024之间任意调整，只要改变BIT1～BIT10相应位的逻辑状态就可以控制改变放大倍数。如：当BIT1～BIT10为3FFH时，由式(1)可计算出放大倍数是1倍，也就是0 dB；当为98H时放大倍数是10倍，也就是20 dB。要做到程控增益，只需要将单片机的I／O口P1.0～P1.7，P2.0～P2.1与AD7520的管脚BIT0～BIT9依次连接，通过程序控制单片机I／O口的输出状态即可完成程控增益的目的。

3 程控滤波部分设计

程控滤波部分采用可编程控制的滤波器芯片MAX261来实现。MAX261是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，它无需外围元件即可构成多种低通、高通、带通、带阻等滤波器，最大工作频率范围从0.4 Hz～57 kHz，其原理图如图3所示。用MAX261设计滤波器时主要是设计5个参数，时钟频率fCLK；中心频率f0，以及对应的编程系数Nf；品质因数Q，以及对应的编程系数Nq。其中fCLK由外部晶振频率决定。这5个参数之间是有相互关系的，计算起来很复杂，为了提高设计效率可用MAXIM公司为MAX261滤波器提供的专用设计软件来计算。在计算f0和Q时应选择不同的工作模式。

MAX261有五种工作模式，分别为：

模式1：可以构成-巴特沃思、切贝雪夫、贝塞尔滤波器实现全极点低通和带通滤波器。

模式2：用来构成全极点低通和带通滤波器，和模式1相比，优点在于能够获得更高的Q值和低噪声输出。

模式3：能构成高通滤波器，其最大输入时钟频率小于模式1中采用的频率。

模式3A：通过运用片内自由运放把模式3中高通与低通输出相加构成独立的带阻。

模式4：可提供全通输出，也可用来提供全极点低通和带通滤波器。

在设计滤波器时可根据需要选择相应的模式。

对MAX261编程，主要是将编程系数Nf和Nq写入滤波器A和B的存储器中。MAX261的硬件原理图如图3(b)所示，用单片机的I／O口P0.0～P0.3控制四位地址线，用P0.4和P0.5控制数据线，P0.6为写控制位WR。由于Nf是六位的二进制数：F0～F5，Nq是七位的二进制数：Q0～F6，而数据位只有两位，所以对MAX261编程时应按照表1所示的地址数据格式写入。

对MAX261写数据时，地址、数据和写控制位的时序按照图4所示时序操作。地址信号在写控制位低电平时有效，数据将在WR上升沿时被写入由地址确定的存储单元中。编程时先让P0口将地址、数据和WR同时送出，如P0=80H表示WR为低电平，准备将工作模式1的控制字写入滤波器A，接着让P0.6=1，即WR由低跳高，模式1控制字就被写入存储单元。

4 键盘和显示部分设计

键盘用3个按键K1，K2，K3即可完成。K1选择程控对象，即选择当前是对程控放大部分编程还是对程控滤波部分编程，当K1选定后，K2，K3定义为加、减选择，用来调整放大部分的增益或改变滤波部分的中心频率。显示部分用已封装好的LCD显示模块，不需要另行设计。

5 结 语

本系统将3个器件AD7520，AD826，MAX261有效地结合起来，以单片机为控制器来控制放大增益和滤波频率，实现了对输人小信号的前级放大，后级滤波，消除噪声干扰，最终输出一个真实有效测量信号，可完成对测量信号的处理功能。