1、程控滤波器学院：电子信息工程学院专业：09 级自动化学号：00924022姓名：宫平2011-8-13程控滤波器摘要：本系统由可控增益程控放大器，程控低通滤波器、程控高通滤波器、椭圆滤波器三部分组成。可控增益程控放大器部分以 OP07作为核心器件，实现了输出增益的动态调整。程控低通滤波器、程控高通滤波器以 LM324为核心，通过改变电阻阻值来实现低通滤波器截止频率、带宽可调；四阶椭圆型低通滤波器采用无源 LC椭圆低通滤波器来实现。经测试验证，系统性能指标达到了设计要求，运行稳定，操作方便。关键词：程控放大器，高通滤波器，低通滤波器，四阶椭圆型低通滤波器1、系统方案1、系统总体构成（设计框图）：
2、输入信号放大器 滤波器信号输入参数设置 参数设置信号输出RL测试端子程控放大器（0dB 到 60dB）程控低通滤波器程控高通滤波器四阶椭圆低通滤波器输出输出输出2、方案比较：（1）放大器模块：方案一：利用可变增益放大器实现。选用可变增益放大器芯片（如 AD603） ，通过给出不同的控制信号改变其放大倍数，从而实现放大器的增益调节。采用 AD603实现放大时,容易出现自激，并且对控制信号的稳定度要求很高，故不采用此方案。方案二：采用 D/A衰减器实现。利用可编程放大器思想，现将输入的信号放大 1000倍，再将其作为 D/A的基准电压，这时 D/A作为一个程控衰减器。但是由于控制的数字量与所需的增
3、益（dB）不成线性关系而是指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。方案三：采用 OP07低噪声放大器，以提高程控放大器抗干扰能力，采用跟随器的接线方法，提高带载能力和减少信号源对程控放大器的影响，通过改变反馈电阻的阻值，可实现增益可控制的放大器。综上所述：本设计采用方案三，不但具有低噪声的功能而且操作十分方便，能够满足题目中要求。（2）滤波器模块：方案一：采用实时 DSP或 FPGA数字滤波技术。数字信号处理灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效滤波，但不适合高增益弱信号检测。要进行高效率的滤波，需要 A/D、D/A具有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度。方案二：采用双积分
4、回路滤波器。用 DA等效成可变电阻，通过控制 DA实现对滤波器 Q值、截止频率的设置。在实现低通和高通程控的同时，可以实现带通的控制。电路设计麻烦，不宜采用。方案三：采用有源滤波器。利用运算放大器和电阻、电容等分立元件构造成低通和高通滤波器，然后通过继电器或模拟开关来切换不同的电阻值和电容值，改变滤波器的截止频率。综上所述：本设计采用方案三，该方案简单易行，电路简单，且精度高，经费较低，能够满足系统要求。（3）四阶椭圆低通滤波器模块：系统要求制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏1dB，-3dB通带为 50kHz，我们采用无源 LC椭圆低通滤波器来实现。利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器。
5、参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易的设计出理想的滤波器。2、理论分析与电路设计：1、可控增益程控放大器部分以 OP07作为核心器件实现系统可控增益放大器。题中要求，放大器输入正弦信号电压振幅为 10mV，电压增益为 40dB，增益 10dB步进可调，通频带为 100Hz40kHz，放大器输出电压无明显失真。为了达到题中要求，采用改变反馈电阻阻值的方法来改变增益，经检验电路符合要求。具体电路如下图所示：0到 60dB的可控增益程控放大器电路原理图其电阻阻值的测试结果如下图所示：增益 放大倍数 Au 输出电压峰峰值 反馈电阻 R60 1000 20V 1000K50 316.22 6.3
6、2V 316.22K40 100 2V 100K30 31.62 632mV 31.62K20 10 200mV 10K10 3.16 63.2mV 3.16K0 1 20mV 1K2、程控低通、高通滤波器部分题中要求，滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB 截止频率 fc在 1kHz20kHz 范围内可调，调节的频率步进为 1kHz，2 fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于 30dB, RL=1k。滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB 截止频率 fc在 1kHz20kHz 范围内可调，调节的频率步进为 1kHz，0.5 fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1k。通过计算可
7、得低通、高通滤波器的电阻的选取如表中所示：程控高通滤波器：R= 1k 2k 3k 4k 5k 6k 7k 8k 9k高通 F= 15915.497957.755305.163978.873183.12652.582273.641989.441768.3910k 11k 12k 13k 14k 15k 16k 17k 18k 19k 20k1591.551446.861326.291224.271136.821061.03994.720936.21884.19837.66795.77程控低通滤波器：R= 1k 2k 3k 4k 5k 6k 7k 8k 9k低通 F= 15915.497957.7
8、55305.163978.873183.12652.582273.641989.441768.3910k 11k 12k 13k 14k 15k 16k 17k 18k 19k 20k1591.551446.861326.291224.271136.821061.03994.720936.21884.19837.66795.77具体电路图如下图所示：程控低通滤波器程控高通滤波器3、四阶椭圆低通滤波器部分题中要求，制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏1dB，-3dB 通带为 50kHz，要求放大器与低通滤波器在 200kHz处的总电压增益小于 5dB，-3dB 通带误差不大于 5%。从电子滤波
9、器设计手册上查表得四阶椭圆无源滤波器在 ， 时，相203.15s应的归一化参数如下：取无源滤12132.04,.694,.2,1.86,0.473CFLHCFLH波器的端间匹配阻抗为 ，截止频率 代入公式560R5pfKz2npCf2npRf其中 表示归一化的电容值、电感值； 表示以 处为通带,nL ,nCLpf3dB衰减的低通滤波电路中所对应的电容值、电感值。经计算结果如下： 121326.97,49,2.,10.8,1.5CnFpLmHCnFLmH具体电路图如下图所示：四阶椭圆低通滤波器3、系统测试与分析：1、可控增益程控放大器：测试方法：放大器输入端输入峰值为 10mV的正弦信号，将放大
10、器增益设置为 40dB，从 100Hz开始增大输入信号的频率，用示波器测试放大器的通频带。然后将输入信号的频率固定为 10KHz，预置放大器增益，用低频毫伏表测试其实际增益，计算增益误差，并检验增益步进。幅频特性仿真电路图如下图所示：（1）放大倍数为 1倍时幅频特性仿真图放大倍数为 1倍时幅频特性仿真图（2）放大倍数为 3.16倍时幅频特性仿真图放大倍数为 3.16倍时幅频特性仿真图（3）放大倍数为 10倍时幅频特性仿真图放大倍数为 10倍时幅频特性仿真图（4）放大倍数为 31.62倍时幅频特性仿真图放大倍数为 31.62倍时幅频特性仿真图（5）放大倍数为 100倍时幅频特性仿真图放大倍数为
11、100倍时幅频特性仿真图（6）放大倍数为 316.22倍时幅频特性仿真图放大倍数为 316.22倍时幅频特性仿真图（7）放大倍数为 1000倍时幅频特性仿真图放大倍数为 1000倍时幅频特性仿真图程控放大器部分测试结果：预置增益 实测增益 相对误差 波形失真情况10dB 9.98dB 0.20% 波形无明显失真30dB 29.8dB 0.67% 波形无明显失真60dB 59.85dB 0.25% 波形无明显失真通过测试结果可以看出本设计满足题中要求。2、低通、高通滤波器：测试方法：将放大器增益设置为 40dB，滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器的截止频率，用低频毫伏表和示波器测试其实际截止频率
12、，计算相对误差。测试图形如下图所示：低通滤波器幅频特性：低通滤波器幅频特性高通滤波器幅频特性：高通滤波器幅频特性测试结果：低通滤波器预置截止频率 实测截止频率 相对误差1 kHz 1.02 kHz 2%10 kHz 10.5 kHz 5%20 kHz 20.6 kHz 3%步进减少至 100Hz,相对误差及 2fc处电压总增益满足实验要求。高通滤波器预置截止频率 实测截止频率 相对误差1 kHz 0.92 kHz 8%10 kHz 9.81 kHz 1.9%20 kHz 20.18 kHz 0.9%步进减少至 100Hz,相对误差及 2fc处电压总增益满足实验要求。3、四阶椭圆低通滤波器：测试
13、方法：将放大器的增益设置为 40dB，用低频毫伏表和示波器测量其通带起伏，-3dB 截止频率和 200KHz的总电压增益。频率特性仿真图如下图所示：四阶椭圆低通滤波器频率特性仿真图测试结果：椭圆低通滤波器频率（kHz）1 5 10 15 20 30 35Vo_pp/v 2.02 2.02 2.04 2.12 2.18 2.24 2.18频率（kHz）40 45 50 52 100 200Vo_pp/v 1.98 1.68 1.52 1.43 0.196 0.016椭圆滤波器通带起伏：PRW=20log（2.24/2.02）dB= -0.898dB，-3dB 截止频率为 52KHz，在 200K
14、Hz的电压总增益为4.08dB。满足实验要求。4、实验总原理图及仿真：程控滤波器：程控滤波器以程控放大器放大倍数 100 倍为例进行仿真：1、低通滤波器：（1）幅频特性图形：低通滤波器幅频特性图形（2）波形图：低通滤波器图2、高通滤波器：（1）幅频特性图形：高通滤波器幅频特性图形（2）波形图：高通滤波器波形图3、四阶椭圆低通滤波器：（1）幅频特性图形：四阶椭圆低通滤波器幅频特性图形（2）波形图：四阶椭圆低通滤波器波形图5、实验设计总结：本系统要求制作了一个程控滤波器。滤波器可以根据需求设置为低通滤波器或高通滤波器，其-3dB 截止频率 fc在 1kHz20kHz 范围内可调，截止频率步进为 1
15、kHz，2 fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于 30dB, RL=1k。 可控增益程控放大器部分以 OP07作为核心器件，实现了输出增益的动态调整。程控低通滤波器、程控高通滤波器以 LM324为核心，通过改变电阻阻值来实现低通滤波器截止频率、带宽可调；四阶椭圆型低通滤波器采用无源 LC椭圆低通滤波器来实现，较好的完成了题目基本部分及发挥部分的所有要求，系统整体性良好。6、参考文献：1 王振红、张常年。全国大学生电子设计竞赛赛前训练题M.化学工业出版社2 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2006.3 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程M.北京：电子工业出版社，2007.4 康华光.电子技术基础模拟部分M.高等教育出版社，1998.
