基于MSP430和MAX262程控濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在電子系統(tǒng)中，濾波器是數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理等方面不可缺少的重要環(huán)節(jié)，如信號(hào)采集前的噪聲濾除，D／A轉(zhuǎn)換輸出的“階梯狀”濾波等等。一般的有源濾波器由運(yùn)算放大器、RC元件組成，但這種濾波器的截止頻率、Q值等參數(shù)都是固定不變的，在某些信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍較寬的場(chǎng)合就不適宜使用。因此，有必要采取多種截止頻率的濾波器，如程控濾波器，對(duì)動(dòng)態(tài)范圍較寬的信號(hào)進(jìn)行濾波。美國(guó)Maxim公司生產(chǎn)的可編程濾波器芯片MAX262可以通過編程進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、陷波等處理，且濾波的特性參數(shù)如中心頻率、品質(zhì)因素等，均可以通過程序設(shè)置。

　　本文介紹以低功耗單片機(jī)MSP430F449為控制核心，通過凌特公司數(shù)字頻率源芯片LTC69034產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)精確控制MAX262，以及其與外圍電路構(gòu)成能實(shí)現(xiàn)多種功能的新穎濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)最大特點(diǎn)在于數(shù)字頻率源LTC6903與MAX262的結(jié)合使用，以及MSP430具有的低功耗功能，當(dāng)系統(tǒng)超過一定時(shí)間沒信號(hào)輸入時(shí)程序可以自動(dòng)關(guān)閉CPU進(jìn)入節(jié)能省電模式。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示，VCA810程控放大器作為信號(hào)輸入的前級(jí)放大，其增益由單片機(jī)控制D／A芯片TLV5616輸出電壓來調(diào)節(jié)，步進(jìn)精度可達(dá)1 dB，范圍在-40～40 dB。濾波模塊以可編程芯片MAX262作為核心，通過單片機(jī)MSP430和LTC69034程控時(shí)鐘信號(hào)芯片進(jìn)行截止頻率的低步進(jìn)調(diào)節(jié)以及品質(zhì)因素的智能控制。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

　　本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一在于MSP430具有低功耗性能，當(dāng)系統(tǒng)末級(jí)超過一定時(shí)間沒有檢測(cè)到信號(hào)輸入時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)關(guān)閉CPU并處于低功耗狀態(tài)，直到有信號(hào)輸入為止。這樣的設(shè)計(jì)能使系統(tǒng)更為節(jié)能，防止無用地消耗能源。此外，系統(tǒng)附加了幅頻特性測(cè)試模塊，掃頻信號(hào)由AD公司的AD9851來產(chǎn)生，頻率步進(jìn)精確到1 kHz。當(dāng)信號(hào)從被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出后通過AD637檢測(cè)到有效值，再采用MSP430F449內(nèi)部集成的A／D模塊進(jìn)行采樣處理，最后驅(qū)動(dòng)雙口D／A在液晶顯示幅頻特性曲線。

　　2 硬件電路

　　2.1 前級(jí)放大模塊

　　系統(tǒng)前級(jí)采用VCA810程控放大芯片，該芯片具有-40～40 dB增益連續(xù)可調(diào)的放大功能，其增益可由單片機(jī)控制D／A芯片TLV5616輸出電壓Vc給VCA810的3號(hào)引腳來調(diào)節(jié)，具體增益與電壓的關(guān)系為：G（db）=-40·（Vc+1）dB。

　　如圖2所示，信號(hào)輸入系統(tǒng)經(jīng)過同相放大后輸出給后級(jí)，由于VCA810具有較寬的增益調(diào)節(jié)，對(duì)輸入信號(hào)幅度要求較小，可以根據(jù)實(shí)際的信號(hào)大小來控制放大器的增益倍數(shù)，因此本系統(tǒng)可以用于小信號(hào)的濾波。此外，VCA810的帶寬為25 MHz，故輸入的信號(hào)可以達(dá)到較高的頻率，大致可實(shí)現(xiàn)寬帶的放大濾波功能。在調(diào)試過程中，由于VCA81 0控制引腳對(duì)噪聲要求較高，尤其3號(hào)GAIN引腳對(duì)電壓波動(dòng)范圍需要在mV級(jí)別以內(nèi)，因此必須在靠近VCA810的3號(hào)腳加上鉭電容10μF與0.1μF并聯(lián)進(jìn)行去耦，否則輸出的信號(hào)效果比較差。

圖2 前級(jí)VCA81程控放大電路

　　2.2 濾波疊模塊

　　MAX262具有A、B兩個(gè)二階開關(guān)電容有源濾波器，它由單片機(jī)精確控制濾波函數(shù)即可構(gòu)成低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，且有外圍電路少、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。MAX262可在程序控制下設(shè)置中心頻率fo，品質(zhì)因素Q以及濾波器的工作方式。截止頻率調(diào)節(jié)可有兩種方式，方案1是固定fCLK與fo的比率，改變fCLK來調(diào)節(jié)；方案2是外部電路采用固定晶振給CLK時(shí)鐘，改變fCLK與fo的比率關(guān)系來調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)低步進(jìn)調(diào)節(jié)，故采用前者方案。

圖3 MAX262模塊外圍電路圖