在電子系統中，濾波器是數據采集、信號處理等方面不可缺少的重要環節，如信號采集前的噪聲濾除，D／A轉換輸出的“階梯狀”濾波等等。一般的有源濾波器由運算放大器、RC元件組成，但這種濾波器的截止頻率、Q值等參數都是固定不變的，在某些信號頻率動態范圍較寬的場合就不適宜使用。因此，有必要采取多種截止頻率的濾波器，如程控濾波器，對動態范圍較寬的信號進行濾波。美國Maxim公司生產的可編程濾波器芯片MAX262可以通過編程進行各種參數的設置，實現低通、高通、帶通、陷波等處理，且濾波的特性參數如中心頻率、品質因素等，均可以通過程序設置。
本文介紹以低功耗單片機MSP430.html" target="_blank">MSP430F449為控制核心，通過凌特公司數字頻率源芯片LTC69034產生時鐘信號精確控制MAX262，以及其與外圍電路構成能實現多種功能的新穎濾波器系統的設計。本設計最大特點在于數字頻率源LTC6903與MAX262的結合使用，以及MSP430具有的低功耗功能，當系統超過一定時間沒信號輸入時程序可以自動關閉CPU進入節能省電模式。
1 系統設計方案
系統方案設計如圖1所示，VCA810程控放大器作為信號輸入的前級放大，其增益由單片機控制D／A芯片TLV5616輸出電壓來調節，步進精度可達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MSP430和LTC69034程控時鐘信號芯片進行截止頻率的低步進調節以及品質因素的智能控制。
圖1 系統設計原理框圖
本設計的特點之一在于MSP430具有低功耗性能，當系統末級超過一定時間沒有檢測到信號輸入時，程序將自動關閉CPU并處于低功耗狀態，直到有信號輸入為止。這樣的設計能使系統更為節能，防止無用地消耗能源。此外，系統附加了幅頻特性測試模塊，掃頻信號由AD公司的AD9851來產生，頻率步進精確到1 kHz。當信號從被測網絡輸出后通過AD637檢測到有效值，再采用MSP430F449內部集成的A／D模塊進行采樣處理，最后驅動雙口D／A在液晶顯示幅頻特性曲線。
2 硬件電路
2.1 前級放大模塊
系統前級采用VCA810程控放大芯片，該芯片具有-40～40 dB增益連續可調的放大功能，其增益可由單片機控制D／A芯片TLV5616輸出電壓Vc給VCA810的3號引腳來調節，具體增益與電壓的關系為：G（db）=-40·（Vc+1）dB。
如圖2所示，信號輸入系統經過同相放大后輸出給后級，由于VCA810具有較寬的增益調節，對輸入信號幅度要求較小，可以根據實際的信號大小來控制放大器的增益倍數，因此本系統可以用于小信號的濾波。此外，VCA810的帶寬為25 MHz，故輸入的信號可以達到較高的頻率，大致可實現寬帶的放大濾波功能。在調試過程中，由于VCA81 0控制引腳對噪聲要求較高，尤其3號GAIN引腳對電壓波動范圍需要在mV級別以內，因此必須在靠近VCA810的3號腳加上鉭電容10μF與0.1μF并聯進行去耦，否則輸出的信號效果比較差。
圖2 前級VCA81程控放大電路
2.2 濾波疊模塊
MAX262具有A、B兩個二階開關電容有源濾波器，它由單片機精確控制濾波函數即可構成低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，且有外圍電路少、功能強大的優點。MAX262可在程序控制下設置中心頻率fo，品質因素Q以及濾波器的工作方式。截止頻率調節可有兩種方式，方案1是固定fCLK與fo的比率，改變fCLK來調節；方案2是外部電路采用固定晶振給CLK時鐘，改變fCLK與fo的比率關系來調節。由于系統要實現低步進調節，故采用前者方案。
圖3 MAX262模塊外圍電路圖
如圖3所示，為了得到穩定的時鐘信號源，本設計采用凌特公司LTC69034產生可控的時鐘信號給MAX262的CLKA與CLKB引腳。其輸出時鐘頻率由以下公式決定；f=2oct·207 8／（2-DAC／1024）Hz。由于LTC69034輸出頻率步進精度高，時鐘信號幅頻非常穩定，在高頻段可達到10kHz的步進。假設需要固定MAX262的fCLK與fo比率為100.53倍關系，故濾波器截止頻率可在100Hz～40kHz之間以100Hz為連續步進調節。
此外，在調試過程中發現若直接將MSP430控制信號與MAX262連接，會對濾波器輸出信號帶來較大的噪聲影響，因此在本設計中在MSP430與濾波器之間加上一級74HC573作為緩沖器，片選引腳OE由WR來控制，這樣濾波器輸出的信號效果得到了大大改善。
2. 3 幅頻特性測試模塊
本系統附加了幅頻特性測試擴展功能。如圖4所示為該模塊的原理框圖。當選擇幅頻特性測試菜單后，MSP430驅動DDS集成芯片AD9851產生正弦信號進行掃頻，經過被測網絡后再由有效值檢測電路進行測量。由于二極管峰值檢波電路在低頻段無法測試，故本設計采用集成芯片AD637進行有效值檢波，該芯片可在較低頻率段精確測量，最高頻率可達到8 MHz，完全滿足設計要求，檢波模塊輸出后經過單片機內部集成A／D模塊采樣后，再由MSP430驅動雙口D／A芯片TLV5618輸出并在液晶顯示幅頻特性曲線。
圖4 幅頻特性測試模塊原理框圖
3 軟件設計
本系統設計的軟件流程如圖5所示，上電后MSP430開始從系統末級通過AD采樣判斷是否有信號輸入。當經過一定時間仍沒有信號時，程序將關閉CPU，進入低功耗模式；若測得有信號輸入則利用單片機驅動液晶顯示Mode功能菜單，等待輸入選擇濾波器類型、前級程控放大器增益倍數以及濾波器的Q值、截止頻率等各種參數，通過計算后對MAX262傳輸中心頻率與品質因素數據。若用戶開始菜單選擇幅頻特性測試儀，則由MSP430程序驅動AD9851產生掃頻信號，經過被測網絡后再由MSP430F449內部集成A／D模塊采樣有效值AD637的輸出，通過計算并顯示采樣結果，得出幅頻特性曲線，并在液晶上顯示。
圖5 系統設計的軟件流程
4 系統性能測試
1）幅頻特性測試模塊性能測試
單片機控制9851產生掃頻信號，通過示波器觀察濾波器幅頻特性，將實測結果與幅頻特性測試模塊所得到的結果相比較，截止頻率在100 Hz～40 kHz之間幅頻特性測試誤差在1％以內。
2）Q值調節測試
Q值可由編程數據Q0～Q7控制，每個數據對應一個不同的Q值，在100 Hz～40 kHz之間設置不同的截止頻率，改變編程數據Q0～Q7，然后通過幅頻特性測試算得Q值與理論值誤差在2％以內。
3）截至頻率控制性能測試
通過改變MAX262的時鐘信號頻率fCLK和頻率控制字N來實現，設N為固定值，則截止頻率由時鐘頻率fCLK決定，fCLK由MSP430單片機控制數字頻率源LTC69034產生。經試驗證明，LTC69034輸出頻率步進精度高，在高頻段也可以達到10 kHz的步進，固定MAX262的fCLK與fo比率為100.53倍關系，測得濾波器的截止頻率可以在100 Hz～40 kHz之間以100 Hz為連續步進調節，誤差小于1％。
4）功耗測試
在實際電路系統功耗測試，整個系統在工作狀態下功耗小于60 mW，低功耗模式下功耗小于10 mW，極大地降低了系統功耗。此款低功耗程控濾波器滿足手持式裝置的低功耗要求，因此在現實設備中具有較大的應用前景。
5 結束語
本系統基于MSP430F449單片機完成對可編程濾波器MAX262的控制，能很好地實現各種有源濾波器的設計工作。這種程控濾波器使用靈活、工作穩定、信號輸出效果好，使用者可根據實際需要自行設置濾波器的Q值、截止頻率、工作方式等。系統采用LTC69034可控時鐘芯片，讓濾波器的截止頻率可以100Hz低步進調節，適用范圍更廣。前級程控放大器可達到40 dB的最大增益，故本設計可以輸入較小的信號，且最小增益步進精度可為1 dB，可由使用者自定設置。系統還擴展了幅頻特性測試模塊并在液晶顯示特性曲線。此外，MSP430具有低功耗特點，在系統超過一定時間不工作時可自行關閉CPU以節能省電，這也是本設計的最大特點之一。