1 程控濾波器設(shè)計(jì)方案比較分析
1．1 濾波器的設(shè)計(jì)
    方案1：傳統(tǒng)分立元件組成的無(wú)源濾波器存在諸如帶內(nèi)不平坦、頻帶范圍窄且恒定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。
    方案2：運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但存在截止頻率調(diào)節(jié)范圍的局限性，難以實(shí)現(xiàn)高精度截止頻率調(diào)節(jié)。
    方案3：引腳可編程的開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX264。該器件內(nèi)部集成了濾波器所需的電阻、電容，無(wú)需外接器件，且其中心頻率、Q值及工作模式都可通過(guò)引腳編程設(shè)置進(jìn)行控制。MAX264可工作于帶通、低通、高通、帶陷或是全通模式下，其通帶截止頻率可達(dá)140 kHz。
    綜上所述，故系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)選用方案3。
1．2 放大器的設(shè)計(jì)
    方案1：采用普通寬帶運(yùn)算放大器構(gòu)成放大電路，分立元件構(gòu)成AGC控制電路，利用包絡(luò)檢波反饋至放大器的方法控制放大倍數(shù)。采用場(chǎng)效應(yīng)管作為AGC控制可實(shí)現(xiàn)高頻率和低噪聲，但溫度、電源等漂移將引起分壓比變化，采用這種設(shè)計(jì)方案難以實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)增益的精確控制和穩(wěn)定性。
    方案2：采用可編程放大器的思想，將交流輸入信號(hào)作為高速D／A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，該D／A轉(zhuǎn)換器可視為一個(gè)程控衰減器。理論上講，只要D／A轉(zhuǎn)換器的速度夠快、精度夠高就可實(shí)現(xiàn)寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但控制的數(shù)字量和最后的增益(dB)不是線性關(guān)系而是指數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致增益調(diào)節(jié)不均勻，精度降低。
    方案3：采用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA實(shí)現(xiàn)增益控制。電壓控制增益便于單片機(jī)控制，同時(shí)可減少噪聲和干擾。采用可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603作為增益控制。AD603是一款低噪聲、精密控制的可變?cè)鲆娣糯笃?，溫度穩(wěn)定性高，其增益與控制電壓成線性關(guān)系，因此便于使用D／A轉(zhuǎn)換器輸出電壓控制放大器增益。
    綜上所述，故系統(tǒng)的放大器設(shè)計(jì)選用方案3。

2 程控濾波器設(shè)計(jì)
    程控濾波器主要由程控放大器、濾波器和信號(hào)采集等模塊組成，如圖1所示。幅頻特性測(cè)試儀主要由掃頻源、信號(hào)采集、示波器顯示等電路組成。其工作原理：輸入信號(hào)經(jīng)衰減網(wǎng)絡(luò)衰減至10 mV，單片機(jī)設(shè)置放大器和濾波器的參數(shù)，選擇相應(yīng)的濾波器，單片機(jī)和FPGA控制AD9851產(chǎn)生正弦輸出信號(hào)，再經(jīng)濾波、AGC后得到掃頻輸出信號(hào)，單片機(jī)和FPGA共同控制D／A轉(zhuǎn)換器輸出幅頻特性曲線在示波器上顯示。

3 理論分析與計(jì)算
3．1 程控放大器
    AD603的基本增益為：
    Gain(dB)：40VG+10                   (1)
    其中，VG是差分輸入電壓，單位是V，Gain是AD603的基本增益，單位是dB。由式1看出，以dB作單位的對(duì)數(shù)增益與電壓成線性關(guān)系。由此，單片機(jī)通過(guò)簡(jiǎn)單的線性計(jì)算就可控制對(duì)數(shù)增益，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)。
3．2 程控濾波器
    編程設(shè)置MAX264的M0、M1引腳使其工作在模式1、2、3、4多種模式下，但只有模式3具有高通濾波功能,因而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模式3實(shí)現(xiàn)低通和高通濾波功能。
    模式3下的輸入時(shí)鐘與中心頻率的關(guān)系(以下僅以低通濾波器作為分析，高通濾波器類似)為：

    fCLK/f0=π(N+13)                                (2)
    其中，fCLK為輸入時(shí)鐘頻率，fo為濾波器中心頻率,N由外部輸入。
    fo與截止頻率fc的關(guān)系：

  
     其中，Q為濾波器的品質(zhì)因數(shù)。
    因此fCLK與fc具有函數(shù)關(guān)系，可通過(guò)設(shè)置fCLK實(shí)現(xiàn)fc的設(shè)置。取Q=0．707 fCLK/f=π(N+13)，實(shí)現(xiàn)fc的設(shè)置。
3．3 橢圓低通濾波器
    橢圓函數(shù)濾波器的衰減特性為：
    AdB=101g[1+ε2Z2n(Ω)]              (4)
    其中，ε由波紋確定，Zn(Ω)為n階的橢圓函數(shù)，對(duì)于偶數(shù)n階的橢圓函數(shù)，其極點(diǎn)和零點(diǎn)表示為：

    其中,m=n／2。所以對(duì)于4階的橢圓函數(shù)濾波器,阻帶和通帶內(nèi)波紋相等，而且阻帶內(nèi)的陷波點(diǎn)數(shù)為1。因此橢圓濾波器在通帶和阻帶內(nèi)特性允許起伏,并具有最佳截止特性，但對(duì)元件數(shù)值要求特別嚴(yán)格。
    根據(jù)選用RdB=0．5 dB,Amin=70 dB,Ωs=3．91查歸一化圖表得C1=1．226 F，C2=0．043 80 F,L2=1．241 H，C3=1．904 F,L4=0．845 9 H,用Z=510 Ω和頻率標(biāo)定系數(shù)FSFT=2πfc(fc截止頻率，即50 kHz)對(duì)濾波器去歸一化,C′=C／(FSF×Z)，L′=L×Z／FSF，得出參數(shù)后采用Multisim仿真調(diào)整參數(shù)，并且設(shè)計(jì)相關(guān)電路測(cè)試得出如下參數(shù)：C1=6．8 nF，C2=39 pF，L2=2．2 mH+220μH=2．42 mH，C3=10 nF，L4=1 mH+620 mH=1．62 mH。其橢圓濾波器電路如圖2所示。

4 硬件電路設(shè)計(jì)
4．1 程控放大電路
    該電路采用兩片AD603級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)可控增益范圍為0 dB～60 dB。AD603單片增益范圍為10 dB~30 dB,輸入控制電壓范圍為0 V～l 1。其中，一級(jí)AD603電路圖如圖3所示。由于AD603的輸入阻抗僅100 Ω，要滿足系統(tǒng)電阻要求，必須增加輸入緩沖來(lái)提高輸入阻抗。另外由于前級(jí)電路影響電路噪聲，須盡量減少噪聲，故采用一級(jí)儀表運(yùn)算放大器AD620構(gòu)成的放大電路作為前級(jí)小信號(hào)放大器。

4．2 低通和高通濾波器電路
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用引腳可編程濾波器MAX264實(shí)現(xiàn)低通或高通濾波器，如圖4所示(衰減放大網(wǎng)絡(luò)略)。電路設(shè)計(jì)采用單極性輸入模式，其輸入電壓范圍0 V~5 V，調(diào)理電路應(yīng)將信號(hào)調(diào)理至其輸入范圍。調(diào)理過(guò)程：信號(hào)首先經(jīng)過(guò)衰減網(wǎng)絡(luò)使其峰-峰值為-2．5 V~+2．5 V，再由加法器將信號(hào)調(diào)節(jié)為0 V～5 V,濾波后，減法器將信號(hào)變?yōu)?2．5 V～+2．5 V,放大網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償平衡衰減，最后輸出至有效值來(lái)轉(zhuǎn)換電路。

4．3 幅頻特性測(cè)試電路
    幅頻特性測(cè)試電路主要是由DDS AD9851與AGC構(gòu)成的掃頻源、有效值轉(zhuǎn)換,以及12-bit ADCMAXl97采樣電路和DAC0800構(gòu)成的顯示電路組成。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用軟件工程設(shè)計(jì)思想，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互，包括提示信息顯示、系統(tǒng)狀態(tài)選擇、參數(shù)輸入、輸入?yún)?shù)顯示、系統(tǒng)啟動(dòng)與復(fù)位。軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

6 測(cè)試結(jié)果
    系統(tǒng)設(shè)置為放大器電壓增益范圍測(cè)試模式，在放大器電壓增益測(cè)試端口利用Tektronix TDS1002型數(shù)字示波器觀察其輸出信號(hào)在不失真的情況下，測(cè)量其輸出幅度，滿足系統(tǒng)要求。
    系統(tǒng)分別設(shè)定為低通濾波器和高通濾波器測(cè)試模式，在放大器電壓增益測(cè)試端口以及濾波器輸出端口中利用Tektronix
TDS1002型數(shù)字示波器觀察其輸出信號(hào)在不失真的情況下，測(cè)量截止頻率處及2倍截止頻率處其輸出幅度，各參數(shù)滿足系統(tǒng)要求。
    系統(tǒng)設(shè)定為橢圓濾波器測(cè)試模式，在濾波器輸入端口和濾波器輸出端口采用數(shù)字示波器觀察其輸出信號(hào)在不失真的情況下，測(cè)量其通帶內(nèi)和截止頻率處輸出幅度。
    濾波器輸入幅值為1 V時(shí)通帶內(nèi)最大輸出幅值為1．10 V，增益為0．828 dB，滿足帶內(nèi)起伏≤1 dB的要求。-3 dB截止頻率為52 kHz，滿足-3 dB通帶誤差不大于5%的要求。