可調(diào)增益程控濾波器的設(shè)計
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1 系統(tǒng)設(shè)計
由于信號處理系統(tǒng)的輸入信號是含有噪聲干擾的微弱信號，因此首先該系統(tǒng)應(yīng)該能對微弱信號進(jìn)行放大，然后再濾波，濾除干擾和噪聲；其次，該系統(tǒng)還應(yīng)該能根據(jù)信號強(qiáng)度的大小和噪聲干擾頻率的不同，通過鍵盤重新設(shè)置系統(tǒng)的增益和濾波器的頻率等，并且將當(dāng)前的設(shè)定值顯示出來。根據(jù)以上要求，該系統(tǒng)由三部分組成，即程控放大部分、程控濾波部分和鍵盤、顯示部分。整個系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為控制器，將這三部分連接起來構(gòu)成一個可調(diào)增益程控濾波的信號處理電路，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
2 程控放大部分設(shè)計
該部分的功能主要是按照給定的增益對輸入信號進(jìn)行放大，也就是說放大倍數(shù)是由程序控制可調(diào)的，為了完成這樣的功能，在這里選用運(yùn)算放大器AD826和10位D／A轉(zhuǎn)換器AD7520的內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)組成一個程控可調(diào)增益的放大電路。AD826具有50 MHz的增益帶寬積和較高輸出驅(qū)動能力，對于普通信號的放大完全可以滿足。AD7520內(nèi)部集成了10個模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)，而且這10個模擬開關(guān)是可編程控制的，根據(jù)這樣的特點(diǎn)，用AD7520內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)與AD826共同組成程控增益部分電路，原理如圖2所示。
3 程控濾波部分設(shè)計
程控濾波部分采用可編程控制的濾波器芯片MAX261來實(shí)現(xiàn)。MAX261是CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，它無需外圍元件即可構(gòu)成多種低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，最大工作頻率范圍從0.4 Hz～57 kHz，其原理圖如圖3所示。用MAX261設(shè)計濾波器時主要是設(shè)計5個參數(shù)，時鐘頻率fCLK；中心頻率f0，以及對應(yīng)的編程系數(shù)Nf；品質(zhì)因數(shù)Q，以及對應(yīng)的編程系數(shù)Nq。其中fCLK由外部晶振頻率決定。這5個參數(shù)之間是有相互關(guān)系的，計算起來很復(fù)雜，為了提高設(shè)計效率可用MAXIM公司為MAX261濾波器提供的專用設(shè)計軟件來計算。在計算f0和Q時應(yīng)選擇不同的工作模式。
模式1：可以構(gòu)成-巴特沃思、切貝雪夫、貝塞爾濾波器實(shí)現(xiàn)全極點(diǎn)低通和帶通濾波器。
模式2：用來構(gòu)成全極點(diǎn)低通和帶通濾波器，和模式1相比，優(yōu)點(diǎn)在于能夠獲得更高的Q值和低噪聲輸出。
模式3：能構(gòu)成高通濾波器，其最大輸入時鐘頻率小于模式1中采用的頻率。
模式3A：通過運(yùn)用片內(nèi)自由運(yùn)放把模式3中高通與低通輸出相加構(gòu)成獨(dú)立的帶阻。
模式4：可提供全通輸出，也可用來提供全極點(diǎn)低通和帶通濾波器。
在設(shè)計濾波器時可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模式。
對MAX261編程，主要是將編程系數(shù)Nf和Nq寫入濾波器A和B的存儲器中。MAX261的硬件原理圖如圖3(b)所示，用單片機(jī)的I／O口P0.0～P0.3控制四位地址線，用P0.4和P0.5控制數(shù)據(jù)線，P0.6為寫控制位WR。由于Nf是六位的二進(jìn)制數(shù)：F0～F5，Nq是七位的二進(jìn)制數(shù)：Q0～F6，而數(shù)據(jù)位只有兩位，所以對MAX261編程時應(yīng)按照表1所示的地址數(shù)據(jù)格式寫入。
對MAX261寫數(shù)據(jù)時，地址、數(shù)據(jù)和寫控制位的時序按照圖4所示時序操作。地址信號在寫控制位低電平時有效，數(shù)據(jù)將在WR上升沿時被寫入由地址確定的存儲單元中。編程時先讓P0口將地址、數(shù)據(jù)和WR同時送出，如P0=80H表示W(wǎng)R為低電平，準(zhǔn)備將工作模式1的控制字寫入濾波器A，接著讓P0.6=1，即WR由低跳高，模式1控制字就被寫入存儲單元。
4 鍵盤和顯示部分設(shè)計
鍵盤用3個按鍵K1，K2，K3即可完成。K1選擇程控對象，即選擇當(dāng)前是對程控放大部分編程還是對程控濾波部分編程，當(dāng)K1選定后，K2，K3定義為加、減選擇，用來調(diào)整放大部分的增益或改變?yōu)V波部分的中心頻率。顯示部分用已封裝好的LCD顯示模塊，不需要另行設(shè)計。
5 結(jié) 語
本系統(tǒng)將3個器件AD7520，AD826，MAX261有效地結(jié)合起來，以單片機(jī)為控制器來控制放大增益和濾波頻率，實(shí)現(xiàn)了對輸人小信號的前級放大，后級濾波，消除噪聲干擾，最終輸出一個真實(shí)有效測量信號，可完成對測量信號的處理功能。
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