程 輝，王 勤

(成都大學 電子信息與電氣工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

濾波器是很多電子電路中必不可少的組成部分，其作用是允許特定頻段信號通過且將其余頻段信號加以抑制或使其急劇衰減，廣泛應用于信息處理、數據傳輸及抑制干擾等方面[1-2].由于傳統濾波器在設計完成后的中心頻率及電壓增益等參數不能改變，傳統濾波器只能處理一定頻率范圍內的信號，若處理此頻率范圍外的信號，則需要額外增加濾波電路，這將使電路變得復雜，且增加了電路的不確定性和成本.又因為傳統濾波器電壓增益較低不可調，對弱信號響應較差，所以使用范圍受到較大的限制.近年來，研究機構開發(fā)了各種功能的濾波器[3-6]，但多數濾波器存在精度不高、通用性差、功能較少且性價比低等問題.對此，本研究根據開關電容技術設計了一種多功能濾波器.該種濾波器由STM32整體控制，具有較高的電壓增益且增益步進可調，并可設置低通、高通、帶通及陷波等多種濾波功能，且截止頻率、中心頻率及陷波頻率等均步進可調，滿足了較寬頻率信號范圍內對弱信號的多種濾波需求.本研究設計的多功能濾波器系統整體誤差較小，可應用于多種濾波電路中.

1 系統總體設計

本濾波器系統主要由鍵盤顯示模塊、控制模塊、放大模塊與濾波模塊等組成，如圖1所示.鍵盤顯示模塊為人機交互部分.根據需求，設置放大模塊對各輸入信號的電壓增益與濾波模塊中各濾波參數.在控制模塊作用下，放大模塊產生對應增益，濾波模塊則產生相應的濾波功能.輸入信號經放大模塊放大后得到所需幅度的信號，再經濾波模塊處理后獲得最終輸出信號.系統整個工作過程中，均可隨時根據需求調整放大增益、濾波器類型及參數.

圖1 系統結構圖

2 系統硬件設計

2.1 控制模塊

本研究使用STM32F103VE作為控制模塊的核心來控制整個系統的運行.STM32F103VE是意法半導體生產的32-bit高性能微控制器，采用ARM Cortex-M3內核，CPU最高速度達72 MHz，可完成單周期乘法和硬件除法，具有較快的運算速度、較強的處理能力及較低的功耗，廣泛滿足工業(yè)、醫(yī)療和消費類市場的各種應用需求[7-9].

2.2 放大模塊

放大模塊由放大器AD8429和數字電位器AD5272組成.AD8429是ADI公司生產的高速儀表放大器，其最高帶寬可達15 MHz，只需一個外部電阻便可將增益設置為1～10 000，具有低功耗、極低噪聲、超低偏置電流及寬電源電壓的特性，廣泛適用于信號調理和數據采集應用場合[10].AD5272是ADI公司生產的單通道數字電位器，具有低電阻容差誤差及低溫度系數特性，可應用于運算放大器可變增益控制、可編程電源及傳感器校準等領域[11].

本研究中，放大模塊由3級結構與功能均相同的放大電路組成.每級放大電路包括1片AD8429和1片AD5272，可實現0～20 dB電壓增益.整體可實現0～60 dB增益，以1 dB為步進調節(jié).放大模塊電路如圖2所示.

圖2 放大模塊電路圖

對于每級放大電路，AD8429均采用+15 V單電源供電，1腳負極輸入端V-IN和6腳參考電壓輸入端VREF采取接地處理.輸入與輸出之間的關系如式(1)所示.

VOUT=G×V+IN

(1)

式(1)中，G為電壓增益.同時，為減少高頻干擾及有效濾除高頻干擾信號，AD8429輸入端增加低通R-C濾波網絡.圖2第1級放大電路中，R1、R2、C2、C3與C4即為R-C濾波網絡.

AD8429的2腳和3腳之間需接1個電阻作為增益調節(jié)電阻，改變其電阻值RG便可改變電壓增益.增益值G與增益調節(jié)電阻值RG的關系如式(2)所示.

G=20lg((6/RG)+1)

(2)

式中，RG的單位為kΩ.當所接增益調節(jié)電阻引腳斷開時，增益值G=0，即信號無放大.

為減小增益誤差與增益漂移，增益調節(jié)電阻需選用高精度且低溫度系數的電阻，同時需避免產生與增益調節(jié)電阻串聯的高寄生電阻.AD5272輸出電阻容差誤差最低為±1%，在可變電阻器模式下溫度系數達到5 ppm/℃，滿足對增益調節(jié)電阻的要求.

AD5272游標W端和A端之間的電阻為標稱電阻，其電阻值RWA可設置為20 kΩ、50 kΩ和100 kΩ，并具有1 024個可供W端訪問的觸點，設置內部RDAC寄存器中的數值為1 024個游標位置，從而輸出1 024個電阻.當將RWA設置為50 kΩ時，帶寬可達120 kHz，此時AD5272的W端和A端之間數字編程輸出電阻如式(3)所示.

RWA(D)=(D/1024)×50

(3)

式中，D為RDAC寄存器中數值，其范圍為0～1 023之間的整數，確定D值便可得到AD5272輸出電阻RWA(D)，即AD8429實際增益調節(jié)電阻值.由式(3)可知，輸出電阻RWA(D)最小值為48.8 Ω.當改變RDAC寄存器的數值，輸出電阻RWA(D)將從最小48.8 Ω改變，因此，AD5272實際輸出值與式(2)得到的理論RG值存在一定偏差，故實際增益值存在一定誤差.由式(2)、式(3)可得到理論增益值與AD5272實際輸出值的關系如表1所示.

表1 理論增益值與AD5272輸出電阻關系表

系統工作時，鍵盤顯示模塊先設定增益值.控制模塊STM32F103VE根據設定的增益值，控制每級AD5272輸出相應電阻值.輸入信號由第1級放大電路AD8429的4腳輸入，經第2、3級放大電路放大后，從第3級放大電路AD8429的7腳輸出.

2.3 濾波模塊

濾波模塊由有源濾波器MAX262和模擬開關ADG704、ADG849構成，用于將前級放大電路輸出信號經濾波后輸出.MAX262是雙二階通用開關電容有源濾波器，其內部含有2個相同的二階濾波單元.每個濾波單元通過編程來設置中心頻率或截止頻率、品質因數和工作方式，可構成低通、高通、帶通及陷波等多種濾波器，其中，2個濾波單元可單獨作為2個二階濾波器使用，也可將其級聯成1個四階濾波器使用[12-14].ADG704是單通道4選1模擬開關，其導通電阻僅為2.5 Ω，具有低功耗、高開關速度及低導通電阻的特性.ADG849為單通道2選1模擬開關，其導通電阻僅為0.5 Ω，可承載高達600 mA電流，具有超低導通電阻、極低開關失真及高載流能力的特性.

有源濾波器MAX262中，2個二階濾波單元均有4種工作方式，且對應5種不同濾波功能，使用時要用到中心頻率或截止頻率f0、外部時鐘頻率fclk、Q值和工作方式等4個參數.對于方式1、3和4，f0和fclk的關系如式(4)所示.

fclk/f0=40.84+1.57NF

(4)

式中，NF為頻率控制字，由MAX262內部程序存儲單元中F5～F0此6位二進制碼組成，共可構成0～63之間的64個十進制整數，故f0可通過固定NF并調節(jié)fclk靈活變化.根據需求確定f0后，由式(4)即可得到fclk值.

在方式1、3和4下，濾波器的Q值由式(5)求得.

Q=64/(128-NQ)

(5)

式中，NQ為品質因數控制字，由MAX262內部程序存儲單元中Q6～Q0此7位二進制碼確定，可實現128種品質因數.根據需求確定Q值后，由式(5)得到NQ值.

當工作方式、NF、fclk、NQ確定后，STM32F103VE便可將相應參數輸入到MAX262，從而產生對應功能的濾波器.

濾波模塊電路如圖3所示.數據在STM32F103VE控制下經74HC374鎖存器后輸入到MAX262，可消除邏輯輸入躍變導致的濾波器輸出噪聲干擾.MAX262中CLKA與CLKB為fclk時鐘輸入端，分別為濾波器A和濾波器B提供時鐘信號fclkA與fclkB，控制開關電容濾波器的采樣率.A3、A2、A1、A0為地址輸入端，通過輸入不同的地址數據來選定濾波器方式、頻率控制字NF及品質因數控制字NQ等設置的存儲單元.D1、D0為數據輸入端，當相應存儲單元被選定后，在D1、D0端輸入相應數據，從而確定濾波器工作方式、f0及Q值.由圖3可知，2片ADG704與1片ADG849用于選擇輸出濾波信號類型與濾波器階數，并在下方ADG704的D端口輸出最終濾波后的信號.

圖3 濾波模塊電路圖

系統工作時，鍵盤顯示模塊設定濾波器類型、階數、f0及Q值等參數，控制模塊中STM32F103VE將參數寫入MAX262內部存儲單元，設定濾波器參數，通過控制CLKA、CLKB端輸入fclk頻率及ADG704、ADG849的通斷，在輸出端可分別得到所需低通、高通、帶通及陷波濾波后的信號.

3 系統軟件設計

系統軟件流程如圖4所示.系統初始化后，首先進入增益設置，根據顯示提示，使用鍵盤設置輸入信號增益值.控制模塊根據該增益值控制放大模塊產生相應增益.增益設置完成后，進入濾波設置部分，依次設置濾波器類型、階數、f0及Q值等參數.控制模塊根據設置控制濾波模塊生成相應功能的濾波器.最后，通過控制模擬開關通斷輸出濾波后的信號.

圖4 系統軟件流程圖

3.1 放大模塊軟件設計

因系統放大增益為0～60 dB，故3級放大電路中每級放大增益范圍均為0～20 dB.放大模塊軟件流程圖如圖5所示.在鍵盤顯示模塊設置增益G值后，若0 dB

圖5 放大模塊軟件流程圖

若20 dB

若40 dB

若設置增益值G>60，則顯示增益超出范圍，此時需要重新輸入增益進行測試.

3.2 濾波模塊軟件設計

濾波模塊要實現低通、高通、帶通及陷波等濾波功能，其軟件流程圖如圖6所示.在鍵盤顯示模塊分別設置濾波器類型、階數、f0A、QA、f0B、QB等參數.若濾波器類型設置為陷波濾波器時，其階數固定為二階，則只需輸入陷波頻率fN與Q.

圖6 濾波模塊軟件流程圖

當濾波器類型設置為低通、高通或帶通濾波器時，則在MAX262內部具有相同的配置方式.如果設置為二階濾波，則MAX262只有濾波器A工作，需先將濾波器A設置為方式3，此時STM32F103VE先后由PB0～PB3輸出0000、PB4～PB5輸出10，便可將MAX262的濾波器A設置為方式3.完成方式的設置后，需進一步設置fclkA、NFA、NQA等.時鐘fclkA由STM32F103VE的定時器T3產生，由于在方式3下fclk、f0可取最大值分別為4 MHz、100 kHz，為使f0在可調節(jié)范圍盡可能較大且最終濾波輸出誤差較小，使NFA為25，則由式(4)可知，當fclkA為最大值4 MHz時，f0A可取到最大值50 kHz.當NFA確定后，由設置f0A值便可得到fclkA，改變T3設定值即可實現f0A在1 Hz～50 kHz內變化.設置NFA時，只需由STM32F103VE的PB0～PB5將MAX262內部F5A～F0A單元設置為011001.設置NQA時，根據輸入QA值，由式(5)可得到NQA，由PB0～PB5腳將MAX262內部Q6A～Q0A單元設置為NQA所對應二進制數值.當MAX262內部配置完成后，STM32F103VE通過PC6～PC0控制ADG704與ADG849的通斷，即可實現二階輸出低通、高通或帶通濾波后的信號.此時，當PC6～PC0分別輸出1001110、1001101、1001111時，便可得到二階低通、高通、帶通濾波后的信號.

如果設置為四階濾波，需同時配置濾波器A、B.濾波器B工作方式、fclkB、NFB、NQB與濾波器A配置方法相同，其中，工作方式配置為方式3，fclkB由STM32F103VE的定時器T8產生，NFB通過將F5B～F0B設置為011001來實現，NQB通過將相應的二進制數設置到Q6B～Q0B來實現.配置完成后，STM32F103VE的PC6～PC0分別輸出1100110、1100101、1110111，即可得到四階低通、高通、帶通濾波后的信號.

當設置為陷波濾波器時，由于只有二階，故只需設置濾波器A，其中工作方式需配置為方式1，此時STM32F103VE先后由PB0～PB3輸出0000、PB4～PB5輸出00，便能將濾波器A設置為方式1.參數fclk、NF、NQ配置方法與二階低通濾波器的fclkA、NFA、NQA相同，其中fN最大值為50 kHz.配置完成后，STM32F103VE通過PC6～PC0輸出1001101控制ADG704與ADG849的通斷，便得到二階陷波濾波后的信號.

4 系統測試

4.1 放大功能測試

為了測試放大模塊增益，在放大模塊輸入端接電壓、頻率分別為10 mV、20 kHz的正弦信號.鍵盤顯示模塊在設置增益值時為突出增益特性，在0～20 dB內以1 dB步進，在20～40 dB內以3 dB步進，在40～60 dB內以5 dB步進，共設置31組數據.在放大模塊輸出端接數字示波器，觀察放大后的信號，最終得到設置增益、實際增益、增益誤差數據如表2所示.

表2 放大功能測試數據表

從表2可知，1～6 dB內增益誤差小于1%且無較大變化;7 dB處誤差有較大幅度增加；8～10 dB、11～20 dB內誤差均有明顯增加；當增益大于20 dB后，除個別增益點外，誤差在2.5%左右浮動，整體放大模塊誤差小于3%，輸出信號無明顯失真.產生上述誤差的主要原因是AD5272輸出電阻不是線性連續(xù)變化且電阻容差不同.由于AD5272為數字電位器，內部RDAC寄存器中控制輸出電阻數值的代碼范圍為0x000～0x3FF，又因其最小輸出電阻為48.8 Ω，故改變RDAC寄存器中代碼會引起輸出電阻非連續(xù)變化，從而產生誤差.當激活1%電阻容差性能之后，RDAC寄存器中只有代碼為0x078～0x3FF范圍內輸出的電阻誤差才為1%，對應表2中1～6 dB增益；代碼為0x055～0x077、0x032～0x054范圍內輸出的電阻誤差分別為2%、3%，分別對應7 dB、8～10 dB增益；其他代碼輸出的電阻誤差大于3%，對應11～20 dB增益.

4.2 濾波功能測試

本研究在進行濾波功能測試時輸入了不同頻率信號，以分別測試各種濾波功能.測試低通、高通或帶通濾波功能時，使用信號發(fā)生器在系統輸入端輸入幅度為10 mV、頻率在1～50 kHz范圍內且以5 kHz為步進增加的正弦信號，并在輸出端接數字示波器.使用鍵盤顯示模塊將系統增益設置為40 dB，濾波部分設置為四階低通、高通或帶通濾波，使f0為輸入信號頻率，Q值為1，分別計算并設置f0A、f0B、QA、QB.對于低通或高通濾波，輸出信號電壓在-3 dB處時，所對應的輸入信號頻率即為截止頻率.對于帶通濾波，輸出信號電壓在最大值處時，所對應的輸入信號頻率即為中心頻率.測試陷波濾波功能時，輸入信號與放大器增益不變，濾波部分設置為陷波濾波，將fN設置為輸入信號頻率，Q值為1.當輸出電壓在最小值處時，所對應的輸入信號頻率即為陷波頻率.各濾波輸出信號在10 kΩ負載上測試所得的數據如表3所示.

表3 濾波功能測試數據表

從表3可知，在50 kHz范圍內濾波器f0、fN實際測試數據與設置數據存在一定誤差，整體誤差小于3%.產生誤差的原因主要是由低fclk/f0比值和低Q值引起的.由于fclk/f0比值和Q值分別為80和1，若將fclk/f0比值和Q值以低值設置時，Q和f0之間的相互作用會導致濾波器產生誤差.此外，STM32F103VE輸出fclk有一定的偏差，也會導致濾波器f0、fN產生誤差.

5 結 語

本研究以STM32F103VE、AD8429和MAX262為核心，設計了一種多功能濾波器，可實現二階或四階低通、高通、帶通及陷波濾波.對輸入信號在0～60 dB范圍內且以1 dB為步進放大，增益誤差小于3%.在10 kΩ負載上截止頻率、中心頻率及陷波頻率步進可調，最大可達50 kHz，頻率誤差均小于3%.本研究設計的多功能濾波器操作方便，功能較強，可適用于多種濾波測試場合.