李 煜，高天德

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

在通信系統(tǒng)中，信號(hào)的頻譜是由無(wú)限多的頻率分量組成，這些分量包括各次諧波和混疊分量[1]，所以必須使用濾波技術(shù)加以抑制。因此，濾波器是非常重要的組成部分。隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)連續(xù)時(shí)間濾波器的研究是現(xiàn)代國(guó)內(nèi)外電路與系統(tǒng)學(xué)界研究的前沿課題，在各種通信和信號(hào)處理領(lǐng)域中有著很廣泛的應(yīng)用。文中介紹了一種8通道模擬帶通濾波器。它可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)通道信號(hào)同時(shí)輸入輸出，并且對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行不同檔位的放大與濾波[2]。并且輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，300～500 kHz的通頻帶能滿足超聲信號(hào)的處理。

1 濾波器簡(jiǎn)介

1.1 帶通濾波器工作原理

帶通濾波器只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制。實(shí)際上是由一個(gè)低通濾波器和高通濾波器級(jí)聯(lián)組成的，帶通濾波器的上限截止頻率是低通濾波器的上限截止頻率，帶通濾波器的下限截止頻率是高通濾波器的下限截止頻率。

1.2 常用濾波器的比較

典型的模擬濾波器有巴特沃斯（Butterworth）濾波器、切比雪夫（Chebyshev）濾波器和橢圓（Ellipse）濾波器等。其中，巴特沃斯濾波器又叫最平坦響應(yīng)濾波器，它的響應(yīng)最為平坦[3]，其頻率響應(yīng)在通帶和阻帶中都是單調(diào)的，且在靠近零頻處最平坦，而在趨向阻帶時(shí)衰減單調(diào)增大，缺點(diǎn)是從通帶到阻帶的過(guò)渡帶寬，對(duì)于帶外干擾信號(hào)的衰減作用弱。切比雪夫?yàn)V波器又分為切比雪夫I型濾波器和切比雪夫II型濾波器。切比雪夫I型濾波器在整個(gè)通帶內(nèi)紋波最小，在阻帶內(nèi)隨頻率單調(diào)遞增；切比雪夫II型濾波器在通帶內(nèi)隨頻率單調(diào)遞增，在整個(gè)阻帶內(nèi)的紋波最小，它們的過(guò)渡帶較巴特沃斯濾波器陡峭[4]。橢圓濾波器在通帶和阻帶內(nèi)都是等紋波，但是對(duì)部件的要求較高。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1）功能要求

實(shí)現(xiàn)8個(gè)通道的模擬信號(hào)的輸入輸出，每個(gè)通道都有×1、×10、×100 3種增益檔位。頻帶內(nèi)響應(yīng)平坦，頻帶外截止特性明顯。具有輸入過(guò)壓保護(hù)，輸出電流超限保護(hù)和抗電磁干擾能力。

2）關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

頻帶：300～500 kHz

通帶紋波：0.01 dB

時(shí)域響應(yīng)：＜100 μs

信號(hào)板供電電壓：±15 V

芯片供電電壓：±15 V、±5 V

信號(hào)輸入電壓（峰-峰值）：100 mV （×100 檔位）、1 V（×10檔位）、10 V（×1 檔位）

信號(hào)輸出電壓（峰-峰值）：100 mV （×100 檔位）、1 V（×10檔位）、10 V（×1 檔位）

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成，包括變壓器、電源板、信號(hào)板。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中變壓器用來(lái)輸出20 V交流電壓，再通過(guò)電源板的整流濾波電路輸出±15 V直流電壓給信號(hào)板供電。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General network structure diagram of the system

2）信號(hào)前級(jí)放大設(shè)計(jì)

采用VCA810壓控放大芯片，具有±40 dB的信號(hào)放大作用，它的增益特性曲線如圖2所示。

在電路中加入分壓電阻和可調(diào)電阻來(lái)控制芯片輸入端電壓即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)不同放大倍數(shù)輸出。此外，每一路中都加入了穩(wěn)壓基準(zhǔn)以獲取±5 V電壓，為VCA810和增益通道選取提供工作電壓。本設(shè)計(jì)中的信號(hào)增益是×1、×10、×100檔位，即0 dB、20 dB、40 dB 3種放大倍數(shù)。檔位選擇電路采用多路復(fù)用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)提供邏輯高低電平的組合00、01、10、11來(lái)控制3種檔位通道的選通，另外一種組合為預(yù)留檔位提供。其中一個(gè)通道的檔位選擇電路原理圖如圖3所示，S1A～S4A、S1B～S4B 為信號(hào)輸入端，DA、DB、為輸出端，A0、A1 為電平控制端。EN為使能端，高電平有效。

圖2 VCA810增益特性曲線圖Fig.2 The gain curve of VCA810

圖3 檔位選擇電路原理圖Fig.3 Schematic of gear selection circuit

3）信號(hào)后級(jí)濾波設(shè)計(jì)

通過(guò)上文中常用濾波器比較的敘述，本設(shè)計(jì)利用濾波器設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了切比雪夫I型的級(jí)聯(lián)濾波結(jié)構(gòu)[5]。如圖4所示，實(shí)際上是一個(gè)4階負(fù)反饋放大電路，根據(jù)300～500 kHz的帶寬要求，通過(guò)中心頻率計(jì)算公式得出中心頻率為387 kHz。在電路設(shè)計(jì)中選取240 kΩ的輸入電阻，在仿真過(guò)程中對(duì)其他阻容值同樣選取標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合、調(diào)試，最終達(dá)到預(yù)期要求。

圖4 濾波電路結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of filter circuit

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)測(cè)試流程

系統(tǒng)實(shí)測(cè)流程圖如圖5所示，每個(gè)通道的測(cè)試過(guò)程可概述為：連接好電源、信號(hào)源、示波器、測(cè)試電路，確定電路連接沒(méi)有錯(cuò)誤后選取×1檔位，開啟信號(hào)源與示波器，給其中一個(gè)通道輸入387 kHz，10Vp-p的正弦波，在示波器上觀察此通道輸出是否為10Vp-p的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，如果符合標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整輸入信號(hào)頻率300～500 kHz測(cè)試頻帶內(nèi)的波形平坦度，如果不符合，調(diào)整電路中的可調(diào)電阻來(lái)控制放大倍數(shù)，最終得出符合要求的輸出波形。記錄結(jié)束后換取×10、×100檔位，選擇對(duì)應(yīng)的輸入正弦波信號(hào)，其中×10對(duì)應(yīng) 1Vp-p，×100對(duì)應(yīng)100mVp-p，重復(fù)以上步驟，完成3個(gè)檔位的測(cè)試。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試流程圖Fig.5 The system testing flow chart

3.2 軟硬件協(xié)同測(cè)試

本系統(tǒng)測(cè)試?yán)肔abVIEW虛擬儀器軟件編寫了一套掃頻測(cè)試程序，程序中主要包含虛信號(hào)源、示波器和頻率響模塊，通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘控制、數(shù)值運(yùn)算、賦值等步驟來(lái)完成信號(hào)的收發(fā)、存儲(chǔ)和以及頻率跳變，本測(cè)試系統(tǒng)的LabVIEW后面板簡(jiǎn)明線條圖如6所示。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試程序圖Fig.6 Program graph of the test system

在本程序中，利用NI的VISA插件，選用與實(shí)驗(yàn)室的信號(hào)源和示波器相符合的模擬信號(hào)源與模擬示波器，通過(guò)信號(hào)源與示波器的網(wǎng)口與電腦的usb接口連接，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的自動(dòng)掃頻測(cè)試，測(cè)試前面板及信號(hào)波形圖如圖7所示。其中，信號(hào)的起始頻率，截止頻率，頻率跳變寬度，輸入幅值都可以根據(jù)要求自行測(cè)試設(shè)定。

圖7 測(cè)試面板與信號(hào)波形圖Fig.7 Test panel and signal waveform figure

3.3 測(cè)試結(jié)果

中心頻率下信號(hào)輸入輸出測(cè)試記錄表如表1所示，其中輸入輸出電壓均為峰峰值。

掃頻測(cè)試[6]：在×1、×10、×100 的增益條件下，分別用信號(hào)源輸出10 V、1 V、100 mV峰峰值電壓，在每次測(cè)試中保持輸入信號(hào)幅值不變，調(diào)整信號(hào)源頻率，跳變步長(zhǎng)為1 kHz，頻率范圍是300～500 kHz。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 中心頻率下測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result of center frequency

表2 掃頻測(cè)試記錄表Tab.2 Frequency sweep test records

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)8通道模擬帶通濾波器。針對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，利用 Altium Designer、Multisim、Filter Solutions等EDA軟件，結(jié)合硬件電路搭建，芯片選型、焊接、最終調(diào)試成功。 此濾波器可滿足 300～500 kHz，幅值為 100～10 V（峰峰值）信號(hào)平穩(wěn)放大與濾波，放大范圍為0～40 dB。此外，此裝置電路結(jié)構(gòu)清晰，布局工整，有較強(qiáng)的可移植性和可升級(jí)性。

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