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基于fpga和单片机的程控滤波器

2020年03月31日 10:26 ? 次阅读

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-3dB截止频率,使其在1~30kHz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。

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。

基于fpga和单片机的程控滤波器

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100 Ω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。

基于fpga和单片机的程控滤波器

3.2 高通滤波模块

LTC1068是低噪声高精度通用滤波器,当其用于高通滤波时,截止频率范围1 Hz~50 kHz,并且直至截止频率的200倍都无混叠现象。由于LTC1068的4个通道都是低噪声、高精度、高性能的2阶滤波器,因此每个通道只要外接若干电阻就可以实现低通、高通、带通和带阻滤波器的功能。具体电路如图3所示。其中B端口Q值0.57,A端口Q值约为1。在电路的调试中发现,A口的Q值需比B口Q值大,否则信号在截止频率处幅值会有上翘。

基于fpga和单片机的程控滤波器

LTC1068的时钟频率与通带之比为200:1,由于LTC1068内部对时钟信号CLK二倍频,所以当截止频率最小为1 kHz时,内部时钟频率其实为400kHz,故在LTC1068后面再加一个截止频率为450kHz的低通滤波器以滤除分频带来的噪声及高次谐波。

3.3 低通滤波模块

用MAX297实现低通滤波器。开关电容滤波器MAX297可以设置为8阶低通椭圆滤波器,阻带衰减为-80dB,时钟频率与通带频率之比为50:1。通过改变CLK的频率,即可满足滤波器-3 dB截止频率在1~20kHz范围内可调,步进1 kHz的要求。

在使用MAX297时要注意的是,当信号频率和采样辨率同频,开关电容组在电容上各次采到相同的幅度为信号幅值的信号,相当于输入信号为直流的情况,使滤波器输出一个直流电平。同理,当信号频率为采样频率的整数倍时,也会出现相同的现象。为此,在其前面,要增加模拟低通滤波器,把采样频率及其以上的高频信号有效地排除。故又用一级MAX297,截止频率设置为50kHz。其中时钟频率设置为2.5 MHz。在其后面,也要增加低通滤波器,其截止频率为150 kHz,以滤去信号的高频分量,使波形更加平滑。具体电路如图4所示。

基于fpga和单片机的程控滤波器

3.4 四阶椭圆低通模块

系统要求制作一个四阶椭圆型低通滤波器,带内起伏≤1 dB,-3 dB通带为50 kHz,采用无源LC椭圆低通滤波器来实现。用Filter Sol ution模拟仿真滤波器,随后在MulTIsim中再模拟仿真并调整电容、电感的参数使其为标称值。此外,在椭圆滤波器前后接射级跟随器避免前后级影岣。具体电路如图5所示。

基于fpga和单片机的程控滤波器

4 系统软件设计

系统软件设计由单片机和FPGA组成,用户可以通过界面的显示选择高通、低通和椭圆滤波器,可以设置截止频率,同时可以显示幅频曲线。其中单片机主要完成用户的输入输出处理和系统控制,FPGA主要完成的功能有:控制AD9851产生扫频信号、控制滤波器截止频率的时钟信号的产生以及控制两块D/A以显示幅频特性曲线。程序流程图如图6所示。

基于fpga和单片机的程控滤波器

5 测试方案与测试结果

5.1 放大器测试

放大器输入端的正弦信号频率为10 kHz,振幅为10 mV,设定增益大小分别为10、20、30、40、50、60dB,用示波器测量实际输出幅值,计算出实际增益,其误差小于1%。此外,测得放大器通频带为1~200kHz。

5.2 低通、高通滤波器测试

将放大器增益设置为40dB,滤波器设置为低通滤波器,预置滤波器截止频率在1~30 kHz范围,步进为1kHz。用示波器测量实际截止频率,计算相对误差小于1.5%,且2fc处的电压总增益小于20dB。高通滤波器测试方法同理。

5.3 椭圆滤波器测试

放大器增益设置为40 dB,用示波器测量实际-3 dB截止频率和200 kHz处的总电压增益。测得fc=50.0kHz,在150 kHz处幅度就已几乎衰减到0。

5.4 幅频特性与相频特性测试

测量低通、高通滤波器的频率特性,在示波器上显示其幅频特性曲线,与所设置的滤波模式及截止频率相符。

6 结束语

本系统放大器增益范围10~60 dB,通频带1~200 kHz,增益误差小于1%。滤波器截止频率范围1~30kHz,误差小于1.5%。椭圆滤波器截止频率误差为0,在150 kHz处幅度几乎衰减到0。误差主要来源于时钟频率,当截止频率为20 kHz的时候,所需最高的时钟频率为2MHz,不能保证很好的时钟沿,而且时钟频率也不可能精确地控制,以及放大器的非线性误差。此外,利用DAC0800和有效值检波电路实现了幅频特性测试仪,系统整体性能良好。整个系统在单片机和FPGA的有机结合、协同控制下,工作稳定,测量精度高,人机交互灵活。

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首先介绍一下这样做的优点:采用低的晶振和总线频率使得我们可以选择较小的单片机满足时序的要求,这样单片...

发表于 2020-03-31 11:41 ? 507次阅读
提几点单片机设计初期EMC的小建议

基于闪存FPGA的门阵列为设计带来更多灵活性

另一方面,在基于闪存的FPGA中,配置模式保存在芯片上的非易失性存储器单元,甚至电源被移除时,闪存单...

发表于 2020-03-31 10:24 ? 615次阅读
基于闪存FPGA的门阵列为设计带来更多灵活性

赛灵思推出全新系列的产品类型ACAP 媲美CPU...

当博通收购高通案遭到美国总统特朗普的阻止后,下一个被华尔街分析师看准的“目标”便锁定在圣何塞芯片厂商...

发表于 2020-03-31 10:47 ? 700次阅读
赛灵思推出全新系列的产品类型ACAP 媲美CPU...

xilinx FPGA bit 文件加密

当你的项目终于做完了,到了发布的关键节点,为了防止自己的心血被别人利用,最好对产品进行bit加密。 ...

发表于 2020-03-31 09:33 ? 312次阅读
xilinx FPGA bit 文件加密

赛灵思官方博客本周主打:云端时序收敛,高效可靠

Plunify Cloud 云平台为 FPGA 工程师极大地简化了使用云服务器的技术与安全要求。

发表于 2020-03-31 08:52 ? 329次阅读
赛灵思官方博客本周主打:云端时序收敛,高效可靠

FPGA的几点重要总结

FPGA编程语言为何叫硬件描述语言? 硬件即FPGA硬件,硬件描述语言,也就自然地告诉...

发表于 2020-03-31 08:30 ? 400次阅读
FPGA的几点重要总结

Achronix半导体全面对接Speedcore...

该组项目将使研究机构和公司能够使用Achronix高性能Speedcore eFPGA技术快速构建低...

发表于 2020-03-31 08:25 ? 400次阅读
Achronix半导体全面对接Speedcore...

TMP411 ±1°C Programmable...

TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150°C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...

发表于 2020-03-31 16:35 ? 8次阅读
TMP411 ±1°C Programmable...

TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远...

TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小;て荡嵘阅,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...

发表于 2020-03-31 16:05 ? 8次阅读
TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远...