基于单片机及FPGA的程控滤波器设计与实现

滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，可用于对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除。它在电子领域中占有很重要的地位，在信号处理、抗干扰处理、电力系统、抗混叠处理中都得到了广泛的应用。而对于程控滤波器，该系统的最大特点在于其滤波模式可以程控选择，且-3dB截止频率程控可调，相当于一个集多功能于一体的滤波器，将有更好的应用前景。此外，系统具有幅频特性测试的功能，并通过示波器显示频谱特性，可直观地反应滤波效果。

1方案论证与选择

1．1可变增益放大模块的设计与论证

方案1：数字电位器控制两级INA129级联。用FPGA控制数字电位器DS1267使其输出不同的阻值，作为高精度仪表放大器INA129的反馈电阻。通过控制数字电位器来改变INA129的放大倍数，从而实现放大器的增益可调。

方案2：采用可变增益放大器AD603实现。可变增益放大器内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；可通过单片机控制，由DAC产生精确的参考电压控制增益，从而实现较精确的数控。

由于输入的正弦小信号振幅10mV，电压增益60dB，10dB步进程控可调，且电压增益误差不能大于5％。对精度而言两个方案都可实现，在AD603后再加一级放大也可实现60dB的放大倍数。但数字电位器内部结构复杂，有电容影响，后级接运放后会带来意想不到的后果，因此采用方案2。

1．2滤波器模块的设计与论证

方案1：采用数字滤波器。利用MATLAB的数字滤波器设计FIR或者IIR滤波器。数字滤波器具有精度高，截止特性好等优点。但是FIR滤波器会占用太多FPGA资源，IIR滤波器设计时工作量大且稳定性不高，且要使截止频率可调，必须使用不同的参数，设计起来软件量比较大。

方案2；采用无源LC滤波器。利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器。参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易地设计出理想的滤波器。但是如果要截止频率可调，只有改变电感电容参数，硬件会非常复杂。

方案3：采用集成的开关电容滤波器芯片。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。其开关电容组在时钟频率的驱动下，可以等效成一个和时钟频率有关的等效电阻。当用外部时钟改变时，等效电阻改变，从而改变了滤波器的时间常敦，也就改变了滤波特性。开关电容滤波器可以直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要A／D、D／A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。

综上所述，本系统采用方案3，利用集成芯片MAX297实现低通滤波器，利用LTC1068实现高通滤波器；采用方案2，利用无源LC滤波器技术来实现四阶椭圆低通滤波器。

2系统总体设计方案及实现方框图

本系统以单片机及FPGA为控制核心，由可控增益放大模块、程控滤波模块和幅频特性测试模块构成。系统框图如图1所示。输入振幅为1V的信号经分压网络衰减后变成振幅10mV的小信号，经OPA690前级放大2倍，同时起到阻抗变换和隔离的作用。与此同时由AD9851产生一设定频率的正弦信号，通过模拟开关选择一道送到后级。信号由程序控制AD603进行0～60dB的可调增益放大后，送入滤波模块。滤波模块包括低通、高通、椭圆滤波器，其中低通、高通由程序控制-3dB截止频率在1～30kHz范围内可调，步进1kHz。椭圆滤波器截止频率50kHz。再通过模拟开关选择某一特定滤波信号输出，经有效值检波和A／D转换后送入FPGA进行幅频特性的测试，再用两块DAC0800实现幅频特性曲线的显示。

3主要功能电路设计

3．1放大模块

放大模块的具体电路如图2所示。第一部分是一个分压网络，其中前4个电阻将输入信号衰减100倍，并与信号源内阻共同构成51Ω阻抗，后面的51Ω为匹配电阻。第二部分采用OPA690将小信号放大2倍，同时起到阻抗变换和隔离的作用。由于AD603输入阻抗为100Ω，所以在后面串接一个100Ω的电阻进行匹配。第三部分即为AD603可变增益放大，它的增益随着控制电压的增大以dB为单位线性增长。1脚的参考电压通过单片机进行运算并控制DAC芯片输出电压来得到，从而实现精确的数控。增益G(dB)=40VG+G0，其中VG为差分输入电压，范围-500～500mV；G0是增益起点，接不同反馈网络时也不同。在5、7脚间接一个5kΩ的电位器，从而改变。