一種程控濾波器的設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號(hào)中，往往包含有噪聲和許多與被測(cè)量無(wú)關(guān)的信號(hào)，并且原始的測(cè)量信號(hào)經(jīng)傳輸、放大、變換、運(yùn)算及各種其他的處理過(guò)程，也會(huì)混入各種不同形式的噪聲，從而影響測(cè)量精度。這些噪聲一般隨機(jī)性強(qiáng)，很難從時(shí)域中直接分離，但限于其產(chǎn)生的機(jī)理，其噪聲功率是有限的，并按一定的規(guī)律分布于頻域某一特定的頻帶中。信號(hào)分離電路一般采用濾波器實(shí)現(xiàn)噪聲的抑制，提取所需的測(cè)量信號(hào)。但是系統(tǒng)中采用的濾波器的形式和截止頻率往往是固定的，很難做到可調(diào)，這就給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的不便。然而，開(kāi)關(guān)電容濾波器的使用可以很好地解決這一問(wèn)題，但是開(kāi)關(guān)電容濾波器的價(jià)格較高，會(huì)提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，因此，這里提出了一種基于狀態(tài)變量濾波器的解決方案，本設(shè)計(jì)能夠大大降低制作成本，具有很高的應(yīng)用前景。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　設(shè)計(jì)了一個(gè)濾波形式和截止頻率可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置的程控濾波器。濾波器輸入端采用同相放大電路進(jìn)行阻抗匹配，使輸入電阻達(dá)到兆歐數(shù)量級(jí)。該系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：人機(jī)交互模塊、雙二階環(huán)路濾波模塊、可變電阻模塊。

　　雙二階環(huán)濾波器電路的截止頻率與Q值由其中某些電阻、電容值決定，且兩參數(shù)相互獨(dú)立。R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)、電流輸出型DAC可等效為阻值僅受輸入數(shù)據(jù)控制的電阻。通過(guò)由單片機(jī)控制的DAC作為等效電阻來(lái)控制濾波器的截止頻率和Q值，可實(shí)現(xiàn)濾波器參數(shù)精確程控，且濾波器參數(shù)調(diào)節(jié)的精度隨著DAC位數(shù)的增加而增大。該方案可由同一電路產(chǎn)生高通、低通、帶通、帶阻濾波器，節(jié)約了硬件資源，從而有效地降低設(shè)計(jì)成本。圖1為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2．1 雙二階環(huán)路濾波器

　　本系統(tǒng)的核心部分為雙二階環(huán)路濾波器，雙二階環(huán)路濾波器利用兩個(gè)以上由加法器、積分器等組成的運(yùn)算放大電路，根據(jù)所要求的傳遞函數(shù)，引入適當(dāng)?shù)姆答仒?gòu)成濾波電路。其突出的特點(diǎn)是電路靈敏度低，因而特性穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)多種濾波功能，經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)還可以減少運(yùn)算放大器的數(shù)目。本系統(tǒng)采用了TI公司的四通道運(yùn)放OPA404，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙二階環(huán)濾波電路。OPA404是一款四路高速精密運(yùn)算放大器，其帶寬可達(dá)* MHz，電壓擺率可達(dá)35 V／s，可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，電路原理圖如圖2所示。