引言
在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，濾波器作為信號處理的關鍵組件，廣泛應用于數(shù)字信號處理、通信、自動控制等領域。傳統(tǒng)的濾波器設計往往固定其工作頻率和帶寬，難以滿足復雜多變的信號處理需求。而基于單片機控制的程控有源濾波器，通過編程靈活調整濾波器的中心頻率、帶寬及品質因數(shù)等參數(shù)，為信號處理提供了極大的便利和靈活性。本文將詳細介紹一種基于單片機控制的程控有源濾波器電路的設計和實現(xiàn)。
有源濾波器的基本原理
有源濾波器主要由運算放大器、電阻和電容等元件組成，通過運算放大器的增益和相位特性，實現(xiàn)對輸入信號的濾波處理。開關電容有源濾波器(Switched-Capacitor Filter, SCF)是一種特殊的有源濾波器，其基本原理是在電路兩節(jié)點之間接入具有高速開關的電容器，通過控制開關的通斷，等效于在兩節(jié)點之間連接一只電阻。這種濾波器具有設計靈活、集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
開關電容濾波器的工作原理
開關電容濾波器的基本工作原理如圖1所示。在圖1(a)中，一個傳統(tǒng)的有源RC積分器通過圖1(b)中的方式進行了改進，使用CMOS開關T1、T2和接地電容C1替代了輸入電阻R1。圖1(c)展示了不重疊的兩相時鐘脈沖，用于驅動T1和T2。當時鐘信號φ1為高電平時，T1導通(視為短路)，T2截止(視為開路)，此時C1與輸入信號VI相連并充電;當時鐘信號φ2為高電平時，T1截止，T2導通，C1與輸入信號VI斷開，而接至運算放大器的輸入端，C1放電，充電電荷傳輸至C2。通過不斷重復這一過程，實現(xiàn)了對輸入信號的積分作用。
在節(jié)點1、2之間流過的平均電流iav可以表示為iav=C1VI/TC，其中TC為時鐘周期。若TC足夠短，可近似認為這一過程是連續(xù)的，從而在兩節(jié)點間定義一只等效電阻Req，即Req=VI/iav=Tc/C1。由此，可以得到等效積分器的時間常數(shù)τ=C2Req=TCC2/C1。顯然，濾波器的頻率響應時間常數(shù)τ取決于時鐘周期TC和電容比值C2/C1，而與電容的絕對值無關。
基于單片機控制的程控有源濾波器設計
系統(tǒng)架構
基于單片機控制的程控有源濾波器系統(tǒng)主要由單片機、可編程計數(shù)器、程控有源濾波器芯片(如MAX262)及外圍電路組成。單片機負責接收用戶輸入，通過編程控制濾波器的參數(shù)設置;可編程計數(shù)器(如8254)用于產生精確的時鐘信號，驅動濾波器工作;程控有源濾波器芯片則根據單片機發(fā)送的指令，調整濾波器的中心頻率、帶寬及品質因數(shù)等參數(shù)。
MAX262濾波器芯片介紹
MAX262是美國Maxim公司生產的雙二階通用開關電容有源濾波器，內部集成有2個結構相同的二階通用開關電容有源濾波器及1個獨立的運算放大器OP。這兩個有源濾波器既可獨立使用，也可串聯(lián)使用。通過D0D1、A0～A3端口線在WR上升沿寫入所選中的內部單元，可以設置濾波器的工作方式、中心頻率fO以及品質因數(shù)Q等參數(shù)。其中，中心頻率fO的范圍為1Hz～140kHz，fCLKA和FCLKB為內部開關電容網絡所需的外部時鐘，一般為中心頻率fO的幾十至上百倍。
電路設計
在電路設計中，首先需要根據濾波器的性能要求，選擇合適的單片機和可編程計數(shù)器。以89C51單片機和8254可編程計數(shù)器為例，8254是3通道16位可編程計數(shù)器，最高計數(shù)脈沖頻率可達10MHz，能夠向MAX262提供精確的時鐘頻率fCLKA和fCLKB。
系統(tǒng)工作時，單片機通過編程控制8254產生所需的時鐘信號，并通過并行接口向MAX262發(fā)送控制指令，設置濾波器的中心頻率、帶寬及品質因數(shù)等參數(shù)。MAX262根據接收到的指令，調整內部電路參數(shù)，實現(xiàn)對輸入信號的濾波處理。
濾波器性能分析
在濾波器性能分析中，主要關注濾波器的中心頻率、帶寬及品質因數(shù)等參數(shù)。對于低通濾波器，其-3dB截止頻率fc可以通過調整時鐘頻率fCLK和電容比值C2/C1來實現(xiàn)。當Q=0.7時，fc=f0，在2fc處濾波器的幅頻增益應小于-12dB。對于高通濾波器，其fc范圍及步進值與低通模式相同，但在0.5fc處濾波器的幅頻增益應小于-12dB。
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