基于单片机和FPGA设计的程控滤波器.pdf

在电子工程领域，程控滤波器是一种重要的信号处理设备，其核心功能是通过对信号的频率成分进行选择性的滤除或通过，从而实现对信号的放大、滤波和频率调整等功能。程控滤波器的应用范围极为广泛，涵盖信号处理、抗干扰、电力系统、抗混叠处理等多个电子系统领域。 本文介绍了一种基于单片机和FPGA（现场可编程门阵列）技术的程控滤波器的设计。单片机和FPGA是电子系统设计中常用的两种微处理器和微控制器。单片机以其灵活的编程能力、低功耗以及成本效益高的特点被广泛应用于嵌入式系统中。FPGA则是一种可以通过编程来配置逻辑功能和互连的半导体设备，它的可重编程性允许快速适应设计变化，提供了极高的灵活性和性能，特别适用于需要大量并行处理和复杂控制逻辑的应用场景。 在本设计中，单片机和FPGA被用作控制核心，协调整个程控滤波器的运作。FPGA主要负责处理高速信号和复杂的控制逻辑，而单片机则用于执行一些非实时性较强的任务和与外部通信。 程控滤波器的主要构成部分包括程控放大模块和程控滤波模块。在放大模块中，采用了可变增益放大器AD603，该放大器可提供最大60dB的增益，并且增益调节步进为10dB，增益误差小于1%。AD603内部结构包括R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器，通过控制梯形网络的输入端信号衰减量来实现增益的精确调整。 程控滤波模块采用MAX297实现低通滤波器，采用LTC1068实现高通滤波器及椭圆低通滤波器。滤波模式通过模拟开关进行选择，同时滤波器的-3dB截止频率可在1~30kHz范围内程控调节，误差小于1.5%。这样的设计实现了具有多功能特性的滤波器，可以根据不同的应用场景需求灵活调整滤波器特性。 在进行幅频特性测试时，系统还通过有效值采样芯片AD637和12位并行A/D转换器MAX120实现对信号幅度的精确测量，从而能够直观地显示滤波效果。 滤波器的基本原理是利用电路对不同频率的信号成分实施不同的增益或衰减，从而使得特定频率的信号得以通过，而其他频率的信号则被削弱或消除。在电子电路中，滤波器的类型主要包括低通、高通、带通和带阻滤波器。它们被广泛应用于信号处理、通信系统、音频设备、医疗设备、控制系统以及许多其他领域。 本文提到的设计方案还对几种不同的滤波器设计方法进行了评估和选择。方案1采用了数字滤波器，利用MATLAB设计FIR（有限脉冲响应）或IIR（无限脉冲响应）滤波器。这些滤波器虽然精度高，但是会占用大量的FPGA资源，同时FIR滤波器的参数调整繁琐，而IIR滤波器在设计和稳定性方面也存在挑战。 方案2考虑了无源LC滤波器，基于电感和电容构建的滤波器具有良好的截止特性，但需要精确调整电感和电容的值来改变截止频率，这在硬件上可能比较复杂。 最终，方案3选择了开关电容滤波器芯片，该芯片由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成，可以在不需要A/D和D/A变换的情况下直接处理模拟信号，极大简化了电路设计，并提高了系统可靠性。 通过上述技术的结合，程控滤波器实现了对信号频率成分的动态调控，能够适应不同应用场景下的需求，具有广泛的应用前景。