測量系統從傳感器拾取的信號中，往往包含有噪聲和許多與被測量無關的信號，并且原始的測量信號經傳輸、放大、變換、運算及各種其他的處理過程，也會混入各種不同形式的噪聲，從而影響測量精度。這些噪聲一般隨機性強，很難從時域中直接分離，但限于其產生的機理，其噪聲功率是有限的，并按一定的規律分布于頻域某一特定的頻帶中。信號分離電路一般采用濾波器實現噪聲的抑制，提取所需的測量信號。但是系統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，這就給系統的設計帶來一定的不便。然而，開關電容濾波器的使用可以很好地解決這一問題，但是開關電容濾波器的價格較高，會提高系統的設計成本，因此，這里提出了一種基于狀態變量濾波器的解決方案，本設計能夠大大降低制作成本，具有很高的應用前景。
1 系統設計方案
設計了一個濾波形式和截止頻率可以通過鍵盤設置的程控濾波器。濾波器輸入端采用同相放大電路進行阻抗匹配，使輸入電阻達到兆歐數量級。該系統主要由3個部分組成：人機交互模塊、雙二階環路濾波模塊、可變電阻模塊。
雙二階環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，且兩參數相互獨立。R-2R梯形網絡、電流輸出型DAC可等效為阻值僅受輸入數據控制的電阻。通過由單片機控制的DAC作為等效電阻來控制濾波器的截止頻率和Q值，可實現濾波器參數精確程控，且濾波器參數調節的精度隨著DAC位數的增加而增大。該方案可由同一電路產生高通、低通、帶通、帶阻濾波器，節約了硬件資源，從而有效地降低設計成本。圖1為該系統設計框圖。
2 硬件電路設計
2．1 雙二階環路濾波器
本系統的核心部分為雙二階環路濾波器，雙二階環路濾波器利用兩個以上由加法器、積分器等組成的運算放大電路，根據所要求的傳遞函數，引入適當的反饋構成濾波電路。其突出的特點是電路靈敏度低，因而特性穩定，并可實現多種濾波功能，經適當改進還可以減少運算放大器的數目。本系統采用了TI公司的四通道運放OPA404，設計了一個雙二階環濾波電路。OPA404是一款四路高速精密運算放大器，其帶寬可達6．4 MHz，電壓擺率可達35 V／s，可以實現本系統的設計要求，電路原理圖如圖2所示。
2．2 可變電阻
在電路分析中，定值電阻可以認為是一個單端網絡，給一個激勵電壓Un，它就可以輸出一個響應電流I0，而電阻的阻抗定義為R0=U0／I0。對于電流型的D／A轉換器也可以這樣認為，如果將D／A轉換器的參考電壓看做是激勵電壓輸入，那么輸出電流就可以看做是響應電流了。通過軟件設置D／A轉換器的輸出電壓的數字量，就可以起到改變響應電流的目的。
采用四通道電流輸出型串行D／A轉換器MAX514，MA514是倒T形R-2R電阻網絡D／A轉換器，則其輸出電壓公式為
2．3 濾波器參數分析
如圖2所示，四路運算放大器分別輸出高通、低通、帶通、帶阻。且R01=R02=R03=R04=10 kΩ，R05=R06=R07=10 kΩ，這決定了濾波器輸出的增益：KHP=1，RBP=-1，RLP=1，RBS=-l。設計中選取Cl=C2=180 pF，濾波器的截止頻率(或中心頻率)為：
因此截止頻率(或中心頻率)可設置的范圍為15．8 Hz～64．5 kHz。本系統設計的范圍頻率范圍為100 Hz～50 kHz，在一定截止頻率范圍內，Q值的設定范圍為0．5～5。
3 系統軟件設計
系統軟件采用模塊化和層次化的設計思想。采用模塊化方法，即是對某一硬件模塊進行控制時，只需調用相應的控制模塊即可。模塊內采用層次化設計，把底層的硬件接口處理編制為獨立底層子程序，并向上提供處理的數據，且對上層功能模塊屏蔽底層硬件接口部分。最后，主程序只需要調用相關的功能模塊就可以方便構建系統。
本系統的軟件部分主要由單片機組成，其中主要包括系統的初始化、中斷的響應和中斷的處理。該設計的功能實現以鍵盤的按鍵中斷為主線，通過讀入用戶輸入的鍵值，在相應的中斷響應函數中以總線的方式與外部硬件電路進行數據的交換，實現對濾波器截止頻率(中心頻率)以及Q值的設定。系統軟件流程見圖3。
4 系統測試
該系統利用數字合成信號源、雙蹤示波器、仿真機、交流電壓表進行了測試。調節輸入信號的頻率，并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值，將實際測量值和預置值進行對比和分析。
對于低通或者高通濾波器，預置其Q值(品質因數)為0．707。測試結果表明，濾波器截止頻率在100 Hz～50 kHz可調，實際測量的截止頻率與設置值誤差小于1％。在濾波器的阻帶內，達到10倍頻程40 dB衰減的效果，通帶內起伏小于0．5 dB。
對于帶通或者帶阻濾波器，預置其Q值為5，測試結果表明，濾波器中心頻率在600 Hz～7．2 kHz范圍內可調，實際測量的Q值與預置值誤差小于3％。
5 結論
設計了一種程控濾波器，這種方案的原理有別于開關電容濾波器，而是采用狀態變量濾波器和電流型D／A轉換器。就這種方案的本質而言，利用了電流型D／A轉換器的倒T形R-2R電阻網絡改變狀態變量濾波器中用來決定截止頻率和Q值的電阻阻值，從而實現了濾波器的程控，濾波器截止頻率和Q值的分辨率隨電阻網絡的規模的增加而提高。在大規模集成電路的設計中，可以把狀態變量濾波器和倒T形R-2R電阻網絡集成到單個芯片中，這樣能夠大大減少設計成本，具有很好的應用前景。本文僅僅是提出了一個大致的設計思路，還有待在實際運用中進一步完善。