基于FPGA的程控滤波器的设计

摘要：以单片机和可编程逻辑器件(FPGA)为控制核心，设计了一个程控滤波器，实现了小信号程控放大、程控调整滤波器截止频率和幅频特性测试的功能。其中放大模块由可变增益放大器AD603实现，最大增益60dB，10dB步进可调，增益误差小于1％。程控滤波模块由MAX297低通滤波、TLC1068高通滤波及椭圆低通滤波器构成，滤波模式用模拟开关选择。本系统程控调整有源滤波的-3 dB截止频率，使其在1～30 kHz范围内可调，误差小于1．5％。此外，采用有效值采样芯片AD637及12位并行A／D转换器MAX120实现了对扫频信号幅度的测量。
关键词：程控滤波器；可变增益放大；截止频率可调；幅度测量

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-3 dB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10 mV，电压增益60 dB，10 dB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60 dB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1 V的信号经分压网络衰减后变成振幅10 mV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-3 dB截止频率在1～30 kHz范围内可调，步进1kHz。椭圆滤波器截止频率50 kHz。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。