基于MAX262的可调增益程控滤波器设计

一种新型程控滤波器的设计1 引言在许多工程应用领域中信号频率的动态范围很宽。

某些微机自动测试中频率在0．1~1 000 Hz 之间变化；在旋转机械大型水轮机组的机械故障诊断和炮口冲击波压力场测试以及其他信号采集测量场合其信号频率在几赫兹到几千赫兹之间。

因此有必要采用截止频率可以程控的滤波器对频率动态范围较宽的信号进行滤波。

MAX263 是CMOS 双二阶通用开关电容有源滤波器，由微处理器精确控制滤波函数构成各种带通、低通、高通、陷波和全通配置，且无需外部元件。

MAX262 含有2 个二阶滤波器，在程序控制下可设置中心频率f0、品质因数Q 和滤波器的工作方式。

2 系统总体设计方案系统总体设计包括数字和模拟两大部分。

其中，数字部分包括单片机及FPGA 中的放大器增益控制、时钟频率生成以及频率特性测量与显示3 个模块；而模拟部分包括放大器、滤波器和幅频特性测试仪3 个模块。

其中放大器模块通过三级放大实现0～60 dB 的增益调节，滤波器模块包括由集成滤波器MAX263 构成的低通和高通滤波器以及自行设计的椭圆滤波器，而幅频特性测试仪模块则由DDS 扫频信号源、有效值检波及A／D 转换电路构成。

详细的系统组成框图如图1 所示。

3 理论分析与计算3．1 可变增益放大器控制信号选用ADI 公司的AD603 作为可变增益放大器，该器件的增益与控制电压的关系：GAIN(dB)=40Vg+10，Vg 为控制电压，改变范围为1 V。

选用16 位D／A 转换器MAX542，用于给出双极性的控制电压，基准源取2．5 V，理论上增益步进的最小值为0．003 dB。

3．2 开关电容滤波器3．2．1 确定滤波器Q 值采用MAXIM 公司的集成开关电容滤波器MAX263，它可以通过外接引脚编程设置。

可编程滤波器的设计摘要：在电子电路中，滤波器是不可或缺的部分，其中有源滤波器更为常用。

一般有源滤波器由运算放大器和RC元件组成，对元器件的参数精度要求比较高，设计和调试也比较麻烦。

美国Maxim公司生产的可编程滤波器芯片MAX262可以通过编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，且滤波的特性参数如中心频率、品质因数等，可通过编程进行设置，电路的外围器件也少。

本文介绍MAX262的情况以及由它构成的程控滤波器电路。

关键词：编程滤波器设计一、MAX262芯片介绍MAX262芯片是Maxim公司推出的双二阶通用开关电容有源滤波器，可通过微处理器精确控制滤波器的传递函数（包括设置中心频率、品质因数和工作方式）。

它采用CMOS工艺制造，在不需外部元件的情况下就可以构成各种带通、低通、高通、陷波和全通滤波器。

二、方案的论证和设计程控放大器的设计1.利用数字电位器，通过单片机改变负反馈的阻值，进而改变放大倍数，优点电路结构简单，灵活；缺点是精度不够高。

2.利用选择电路，选通某条支路，由于使用的是分立元件，匹配度高，可以使放大倍数的精度大大提高，却也有电路复杂的缺点，由于本设计任务的精度要求，因而选择此种方案。

三、程控滤波器的设计滤波器设计有很多种，但主要分为数字滤波电路和模拟滤波电路。

1.采用FIR数字滤波器。

数字滤波器解决了模拟滤波器所无法克服的电压漂移，温度漂移和噪声等问题，但由于计算量过大，且由于未系统学习过FIR，故不选用。

2.采用有源RC滤波电路，使用数字电位器控制电阻值，从而可以改变电路的滤波特性。

特点电路简单灵活，缺点是精度不够，3.采用专门的开关电容滤波集成芯片。

MAX262 是CMOS 双二阶通用开关电容有源滤波器由微处理器精确控制滤波函数可构成各种带通低通高通陷波和全通配置且不需外部器件，功能强大，易于掌控。

故选用此种方案。

四、幅频特性电路的设计幅频特性是指幅度随频率的变化的关系；主要原理是控制扫描信号的频率变化，检测出幅度的变化；对于幅度的检测，传统方案是使用AD，将检测的数据传入控制器，由控制器对数据进行处理，然后DA输出。

程控滤波器摘要：程控滤波器主要由可编程滤波器、程控放大器、与控制电路三部分组成。

MAX262是可编程的开关电容滤波器，可以用数字信号控制滤波器Q 值与中心频率f o 从而实现对截止频率的步进控制，而且可以实现低通、带通、高通滤波器。

AD 603通过控制它的控制电压实现增益的控制设计简单合理、可靠性好，经实践证实控制精度较高。

关键词：可编程滤波器，数模转换器，AD603,MAX2621. 系统方案方案一采用积分与运算放大电路组成的多功能状态变量滤波器，通过计算改变R ，C 的值，可以达到很高的控制精度。

它的传递函数如下：2O 0122012()()()u i U s a a s a s A s U s b b s b s ++==++ 从它的传递函数中可以看到它可以实现多种滤波器的功能，而且可以实现较高的精度，可以完成赛题的要求。

方案二采用集成电路，MAX262是MAXIM 公司新推出的4 种应用非常广泛的4 阶开关电容滤波器。

MAX262不需外部元件就能做成巴特沃兹、契比雪夫、贝塞尔等各种带通、低通、高通、陷波、全通滤波器。

MAX262 芯片性能优越,使用方便,最突出的优点是滤波精确、设置方便,中心频率、Q 和运行模式均可通过引脚编码输入进行选择,而不必更换外部元件。

和传统的RC 滤波器比较,避免了R 、C 元件选配的麻烦，而且通过外围控制电路可以实现题目要求。

放大电路由可控增益运算放大器AD603和AD 转换电路组成，AD603具有较宽的通频带，与增益稳定度，通过控制它的控制电压可以达到题目的控制要求。

由集成电路组成的程控滤波器具有以上所述的优点，这里采用了以MAX262为中心，来实现题目所要求的各种功能。

系统框图如图所示。

图12. 理论分析与计算MAX262有多种工作模式用以适应多种应用场合，在模式2下通过编程可以确定当前中心频率f o 与时钟频率的比值，而且该比值在40—140之间64步可调，呈现以下关系：f clk /f o =（26+N ）×∏/2（其中N 为编程二进制的值）。

程控滤波器设计组员：彭志胜李春兰李泉新摘要：本系统有两个模块组成：程控放大器，程控滤波器。

由MAX262为核心的程控滤波器可设置为低通，高通滤波器，-3dB 截至频率在1KHz～20KHz 范围内可调，调节的频率步进为1KHz。

系统以AT89S52 为控制核心，经测试验证，系统运行稳定，操作方便。

关键词：程控放大器，程控滤波器1 系统方案1.1 设计需求(1）设计程控低通滤波器，截止频率等参数可设置。

（2）滤波器-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1k。

（3）电压增益与截止频率的误差均不大于10%。

1.2 整体方案基本部分使用集成开关电容滤波芯片MAX262 完成四阶低通、高通滤波器设计。

程控放大器电路由小信号放大电路与DA 衰减电路构成，可实现小信号放大增益60dB，增益10dB 步进可调。

由于单片AT89S52 I/O 口有限，系统采用多机控制，3 I/O 口4×4 键盘输入，中文液晶显示，友好人机交互界面，系统控制简单，工作稳定。

1.3 系统框图单片机主机为系统控制核心控制键盘输入放大倍数与截至频率，并由液晶显示出来。

从机1 控制程控放大电路的放大倍数，从机2 设置时钟源频率，为滤波电路提供稳定的工作时钟，以设置滤波器的截止频率，框图如下：图1 系统框图2 理论分析与计算2.1 程控放大电路程控放大有小信号放大与DA 衰减两部分组成。

由于DA 衰减电路对输入信号的衰减倍数由DA 的位数D 决定，即可实现输出Vo 为输入Vi 的D/ 2D衰减，最大增益60dB，因此选择10 位DA 可实现对输入信号的0～1023 倍步进可调。

结合10 位的DA 对信号的衰减，小信号放大电路设置为固定1000 放大。

2.2 程控滤波器设计程控滤波器以MAX262 为核心，MAX262 集是双二阶开关电容有源滤波器。

毕业设计(论文)题目基于MAX262的程控滤波器设计摘要本设计由电源模块、MCU控制器模块、显示模块、键盘控制模块、时钟产生模块、程控滤波器模块组成。

使用STC12C5A60S2作为MCU，发送频率控制状态字(FTW)使AD9850(DDS)芯片产生的频率可调的正弦波，将产生正弦波的经由高速比较器模块的整形后充当步进时钟提供给程控滤波器模块，MCU并辅以发送的程序状态字于程控滤波器模块达到控制滤波器工作模式及相应滤波性能指标，最终实现预期滤波效果。

本课题正是针对目前传统滤波器相应滤波性能指标相对固定、精度相对低等不足提出的，辅以开关电容滤波器的设计理念，兼顾数字化的控制过程，能够减少使用过程中的不确定因素和人为参与硬件设计的环节数目，有效地解决相应模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性，具有一定可借鉴价值。

关键词：MCU DDS低通滤波程控滤波器ABSTRACTThis design consists of the power module, the display module, the keyboard control module, the clock producing module and the programmable filter module. Using STC12C5A60S2 as MCU that sends a frequency tuning word (FTW) to AD9850 (DDS) chip which can produce a frequency-adjustable sine wave. After high-speed comparing, the wave was provided to the programmable filter modules as a marching clock. Then MCU sends PSW to the programmable filter modules to control the functional mode and performance index of the filter, so that this design can achieve the expected effects of filtering.This design is aimed at changing the shortcoming of traditional filters that the performance index is relatively fixed and the precision is relatively low. With the idea of Switched Capacitor Filter design and the digital control processing, this project can reduce uncertain factors such as factitious hardware designing procedures. This design can effectively solve engineering problems such as reliability, intelligentizing and product consistency, and greatly improve the production efficiency and product maintainability. It may have certain value in applications.Key words：MCU DDS Low-pass Filtering Programmable Filter目录第一章绪论 (1)1.1研究的背景和意义 (1)1.2课题的研究对象 (1)1.3论文的结构安排 (2)第二章滤波原理概述 (3)2.1滤波、滤波器的概念 (3)2.2滤波器的分类 (3)2.3滤波器的原理 (3)2.3.1三种典型滤波器概述 (3)2.3.1.1巴特沃兹滤波器 (3)2.3.1.2切比雪夫滤波器 (3)2.3.1.3贝赛尔滤波器 (4)2.3.2三种典型滤波器滤波特性对比 (4)2.3.2.1巴特沃兹滤波器 (4)2.3.2.2切比雪夫响应 (4)2.3.2.3贝赛尔响应 (4)2.4滤波器设计方法的演变 (4)2.5开关电容型滤波器的原理概述 (6)2.5.1开关电容型滤波器的基本原理 (6)2.5.2开关电容型滤波器的主要特性 (7)2.5.3集成开关电容型滤波器电路的类型和功能简介 (8)第三章程控滤波器总设计方案论证 (11)3.1程控滤波器设计总体思路介绍 (11)3.2基于MAX262的程控滤波器设计方案论证 (11)3.2.1时钟产生模块的论证与选择 (12)3.2.2程控滤波器模块的论证与选择 (13)3.2.3键盘模块的论证与选择 (14)3.2.4MCU控制模块的论证与选择 (14)3.2.5显示模块的论证与选择 (14)3.2.6电源模块 (15)第四章系统硬件设计与实现 (16)4.1MCU控制器模块设计与实现 (16)4.1.1STC5A60S2系列芯片简介 (16)4.1.2STC5A60S2系列单片机引脚说明 (17)4.1.3MCU控制器模块原理图 (17)4.2UI界面模块设计与实现 (18)4.2.1显示模块设计与实现 (18)4.2.2键盘控制模块设计与实现 (19)4.3时钟产生模块设计与实现 (20)4.3.1DDS芯片AD9850简介 (20)4.3.2DDS芯片AD9850引脚说明 (20)4.3.3时钟产生模块原理图 (21)4.4程控滤波器模块设计与实现 (21)4.4.1程控滤波器芯片MAX262简介 (21)4.4.2程控滤波器芯片MAX262引脚说明 (22)4.4.3程控滤波器模块原理图 (23)4.5电源模块设计与实现 (23)第五章系统软件设计与实现 (25)5.1系统功能描述 (25)5.2总程序流程图 (25)第六章测试方案与测试结果 (26)6.1MAX262实现低通滤波器测试结果 (26)6.2MAX262实现高通滤波器测试结果 (28)6.3MAX262实现带通滤波器测试结果 (30)6.4数据分析 (31)结论 (32)谢辞 (33)参考文献 (34)附录 (35)第一章绪论1.1研究的背景和意义电子滤波器是一种可执行信号处理功能的电子线路元件或装置，它具有去除信号中不想要的成分或者增强所需成分的功能。

程控滤波器设计说明摘要：本设计为基于单片机的多档位程控滤波器，采用OP07进行信号放大，MAX262进行多种频段滤波；信号输入部分用MAX038 多种输入切换，信号输出部分用ADC0809制作了简易电压表，配合最大值保持电路，完成电压输出。

各部分的档位切换均通过89C52单片机控制八选一开关CD4051实现。

本设计实现了可调频率的波形发生、对给定小输入信号的放大、滤波并实时记录峰值的功能，程控滤波器具有使用灵活、调试容易的特点，并且能够实现高通、低通、椭圆滤波等功能。

1系统设计总体方案根据题目要求，要求放大器增益可调，滤波器类型可调，截止频率在1kHz-20kHz 范围可调，同时要具有参数设置显示功能。

其中信号输入、信号输出、放大器、滤波器各部分功能相对独立，同时考虑到制作调试的方便，本设计采用各个模块独立设计、独立控制的实现方案。

系统共使用4个MCS-51 系列单片机89C52 配合多路开关进行各部分程序控制，参数的设置和显示分别通过键盘和显示模块CH451实现。

系统总的结构图如下：图1 系统总体框图器件选择：MAX262 是CMOS双二阶通用开关电容有限滤波器，通过微处理器精确控制滤波函数。

它可构成各种带通、低通、高通滤波器，且不需外部器件。

每个器件含有两个二阶滤波器，可以通过程序控制设置参数和工作方式，满足题目基本部分和发挥部分的全部滤波要求。

MAX038是高频、高精度、低输出电阻、驱动能力强(20mA) 的函数信号发生器芯片。

输出频率范围: 0. 1 ～ 20 MHz，可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波及脉冲波，输出频率和占空比(15 %～85 %) 独立可调，带低输出阻抗的输出缓冲器，可以实现对输入信号和扫频信号的要求。

放大部分初始设计选择了AD521和OP07，经检验发现AD521放大误差较大，不能满足要求，改用OP07。

根据题目，基本部分电压放大增益40dB，发挥部分电压放大增益60dB, 一个OP07 不能满足要求，故采用两个OP07串联的形式，每个增益30 dB.经过滤波的电压在输出前再次经过一个OP07进行放大，经一个阻容回路进行最大值保持，最后输出，信号同时送个一个由单片机和ADC0809构成的简易电压表进行显示。