該係統的最大特點在於其濾波模式可以程控選擇，且-3 dBjiezhipinlvchengkongketiao
，xiangdangyuyigejiduogongnengyuyitidelvboqi

，jiangyougenghaodeyingyongqianjing。ciwai，xitongjuyoufupintexingceshidegongneng，bingtongguoshiboqixianshipinputexing，kezhiguandifanyinglvboxiaoguo。fangdamokuaiyoukebianzengyifangdaqiAD603實現，最大增益60dB
，10dB步進可調，增益誤差小於1%。程控濾波模塊由MAX297低通濾波
、TLC1068高通濾波及橢圓低通濾波器構成
，濾波模式用模擬開關選擇。本係統程控調整有源濾波的-3dB截止頻率

，使其在1~30kHz範圍內可調，誤差小於1.5%。此外，采用有效值采樣芯片AD637及12位並行A/D轉換器MAX120實現了對掃頻信號幅度的測量。

1 方案論證與選擇

1.1 可變增益放大模塊的設計與論證

方案1：數字電位器控製兩級INA129級聯。用FPGA控製數字電位器DS1267使其輸出不同的阻值
，作為高精度儀表放大器INA129的反饋電阻。通過控製數字電位器來改變INA129的放大倍數，從而實現放大器的增益可調。

方案2：采用可變增益放大器AD603實現。可變增益放大器內部由R-2R梯ti形xing電dian阻zu網wang絡luo和he固gu定ding增zeng益yi放fang大da器qi構gou成cheng，加jia在zai其qi梯ti型xing網wang絡luo輸shu入ru端duan的de信xin號hao經jing衰shuai減jian後hou，由you固gu定ding增zeng益yi放fang大da器qi輸shu出chu，衰shuai減jian量liang是shi由you加jia在zai增zeng益yi控kong製zhi接jie口kou的de參can考kao電dian壓ya決jue定ding；可通過單片機控製，由DAC產生精確的參考電壓控製增益
，從而實現較精確的數控。

由於輸入的正弦小信號振幅10 mV，電壓增益60 dB，10 dB步進程控可調，且電壓增益誤差不能大於5％。對精度而言兩個方案都可實現，在AD603後再加一級放大也可實現60 dB的放大倍數。但數字電位器內部結構複雜，有電容影響，後級接運放後會帶來意想不到的後果，因此采用方案2。

1.2 濾波器模塊的設計與論證

方案1：采用數字濾波器。利用MATLAB的數字濾波器設計FIR或者IIR濾波器。數字濾波器具有精度高，截止特性好等優點。但是FIR濾波器會占用太多FPGA資源，IIR濾波器設計時工作量大且穩定性不高

，且要使截止頻率可調，必須使用不同的參數
，設計起來軟件量比較大。

方案2；采用無源LC濾(lv)波(bo)器(qi)。利(li)用(yong)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)容(rong)可(ke)以(yi)搭(da)建(jian)各(ge)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)濾(lv)波(bo)器(qi)。參(can)照(zhao)濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)計(ji)手(shou)冊(ce)上(shang)的(de)相(xiang)關(guan)參(can)數(shu)，可(ke)以(yi)比(bi)較(jiao)容(rong)易(yi)地(di)設(she)計(ji)出(chu)理(li)想(xiang)的(de)濾(lv)波(bo)器(qi)。但(dan)是(shi)如(ru)果(guo)要(yao)截(jie)止(zhi)頻(pin)率(lv)可(ke)調(tiao)
，隻(zhi)有(you)改(gai)變(bian)電(dian)感(gan)電(dian)容(rong)參(can)數(shu)，硬(ying)件(jian)會(hui)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)。

方案3：采用集成的開關電容濾波器芯片。開關電容濾波器是由MOS開關、MOS電容和MOS運yun算suan放fang大da器qi構gou成cheng的de一yi種zhong大da規gui模mo集ji成cheng電dian路lu濾lv波bo器qi。其qi開kai關guan電dian容rong組zu在zai時shi鍾zhong頻pin率lv的de驅qu動dong下xia，可ke以yi等deng效xiao成cheng一yi個ge和he時shi鍾zhong頻pin率lv有you關guan的de等deng效xiao電dian阻zu。當dang用yong外wai部bu時shi鍾zhong改gai變bian時shi
，等deng效xiao電dian阻zu改gai變bian，從cong而er改gai變bian了le濾lv波bo器qi的de時shi間jian常chang敦dun，也ye就jiu改gai變bian了le濾lv波bo特te性xing。開kai關guan電dian容rong濾lv波bo器qi可ke以yi直zhi接jie處chu理li模mo擬ni信xin號hao
，而er不bu必bi像xiang數shu字zi濾lv波bo器qi那na樣yang需xu要yaoA／D
、D／A變換，簡化了電路設計，提高了係統的可靠性。

綜上所述，本係統采用方案3，利用集成芯片MAX297實現低通濾波器，利用LTC1068實現高通濾波器
；采用方案2，利用無源LC濾波器技術來實現四階橢圓低通濾波器。

2 係統總體設計方案及實現方框圖

本係統以單片機及FPGA為控製核心，由可控增益放大模塊
、程控濾波模塊和幅頻特性測試模塊構成。係統框圖如圖1所示。輸入振幅為1 V的信號經分壓網絡衰減後變成振幅10 mV的小信號，經OPA690前級放大2倍，同時起到阻抗變換和隔離的作用。與此同時由AD9851產生一設定頻率的正弦信號
，通過模擬開關選擇一道送到後級。信號由程序控製AD603進行0～60dB的可調增益放大後，送入濾波模塊。濾波模塊包括低通
、高通、橢圓濾波器
，其中低通
、高通由程序控製-3 dB截止頻率在1～30 kHz範圍內可調，步進1kHz。橢圓濾波器截止頻率50 kHz。再通過模擬開關選擇某一特定濾波信號輸出
，經有效值檢波和A／D轉換後送入FPGA進行幅頻特性的測試，再用兩塊DAC0800實現幅頻特性曲線的顯示。

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3 主要功能電路設計

3.1 放大模塊

放大模塊的具體電路如圖2所示。第一部分是一個分壓網絡，其中前4個電阻將輸入信號衰減100倍，並與信號源內阻共同構成51Ω阻抗，後麵的51Ω為匹配電阻。第二部分采用OPA690將小信號放大2倍
，同時起到阻抗變換和隔離的作用。由於AD603輸入阻抗為100Ω，所以在後麵串接一個100 Ω的電阻進行匹配。第三部分即為AD603可變增益放大，它的增益隨著控製電壓的增大以dB為單位線性增長。1腳的參考電壓通過單片機進行運算並控製DAC芯片輸出電壓來得到，從而實現精確的數控。增益G(dB)=40VG+G0，其中VG為差分輸入電壓
，範圍-500～500mV
；G0是增益起點，接不同反饋網絡時也不同。在5
、7腳間接一個5kΩ的電位器，從而改變。

3.2 高通濾波模塊

LTC1068是低噪聲高精度通用濾波器，當其用於高通濾波時，截止頻率範圍1 Hz～50 kHz，並且直至截止頻率的200倍都無混疊現象。由於LTC1068的4個通道都是低噪聲、高精度、高性能的2階濾波器
，因此每個通道隻要外接若幹電阻就可以實現低通、高通、帶通和帶阻濾波器的功能。具體電路如圖3所示。其中B端口Q值0．57，A端口Q值約為1。在電路的調試中發現
，A口的Q值需比B口Q值大
，否則信號在截止頻率處幅值會有上翹。

LTC1068的時鍾頻率與通帶之比為200：1，由於LTC1068內部對時鍾信號CLK二倍頻，所以當截止頻率最小為1 kHz時，內部時鍾頻率其實為400kHz，故在LTC1068後麵再加一個截止頻率為450kHz的低通濾波器以濾除分頻帶來的噪聲及高次諧波。

3.3 低通濾波模塊

用MAX297實現低通濾波器。開關電容濾波器MAX297可以設置為8階低通橢圓濾波器，阻帶衰減為-80dB，時鍾頻率與通帶頻率之比為50：1。通過改變CLK的頻率，即可滿足濾波器-3 dB截止頻率在1～20kHz範圍內可調，步進1 kHz的要求。

在使用MAX297shiyaozhuyideshi，dangxinhaopinlvhecaiyangbianlvtongpin
，kaiguandianrongzuzaidianrongshanggecicaidaoxiangtongdefuduweixinhaofuzhidexinhao

，xiangdangyushuruxinhaoweizhiliudeqingkuang

，shilvboqishuchuyigezhiliudianping。tongli

，dangxinhaopinlvweicaiyangpinlvdezhengshubeishi，yehuichuxianxiangtongdexianxiang。weici，zaiqiqianmian
，yaozengjiamoniditonglvboqi，bacaiyangpinlvjiqiyishangdegaopinxinhaoyouxiaodipaichu。guyouyongyijiMAX297，截止頻率設置為50kHz。其中時鍾頻率設置為2．5 MHz。在其後麵，也要增加低通濾波器，其截止頻率為150 kHz，以濾去信號的高頻分量，使波形更加平滑。具體電路如圖4所示。

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3.4 四階橢圓低通模塊

係統要求製作一個四階橢圓型低通濾波器，帶內起伏≤1 dB

，-3 dB通帶為50 kHz，采用無源LC橢圓低通濾波器來實現。用Filter Sol ution模擬仿真濾波器
，隨後在Multisim中再模擬仿真並調整電容
、電感的參數使其為標稱值。此外，在橢圓濾波器前後接射級跟隨器避免前後級影岣。具體電路如圖5所示。

4 係統軟件設計

係統軟件設計由單片機和FPGA組成，用戶可以通過界麵的顯示選擇高通
、低通和橢圓濾波器，可以設置截止頻率
，同時可以顯示幅頻曲線。其中單片機主要完成用戶的輸入輸出處理和係統控製，FPGA主要完成的功能有：控製AD9851產生掃頻信號、控製濾波器截止頻率的時鍾信號的產生以及控製兩塊D／A以顯示幅頻特性曲線。程序流程圖如圖6所示。

5 測試方案與測試結果

5.1 放大器測試

放大器輸入端的正弦信號頻率為10 kHz，振幅為10 mV
，設定增益大小分別為10、20、30、40、50、60dB
，用示波器測量實際輸出幅值
，計算出實際增益，其誤差小於1％。此外

，測得放大器通頻帶為1～200kHz。

5.2 低通、高通濾波器測試

將放大器增益設置為40dB
，濾波器設置為低通濾波器，預置濾波器截止頻率在1～30 kHz範圍，步進為1kHz。用示波器測量實際截止頻率，計算相對誤差小於1．5％

，且2fc處的電壓總增益小於20dB。高通濾波器測試方法同理。

5.3 橢圓濾波器測試

放大器增益設置為40 dB

，用示波器測量實際-3 dB截止頻率和200 kHz處的總電壓增益。測得fc=50．0kHz，在150 kHz處幅度就已幾乎衰減到0。

5.4 幅頻特性與相頻特性測試

測量低通
、高通濾波器的頻率特性，在示波器上顯示其幅頻特性曲線，與所設置的濾波模式及截止頻率相符。

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