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  lsbb198801 2016-02-19 08:15:29

  　　程控濾波器的發(fā)展趨勢(shì) 　　一、總體方案設(shè)計(jì) 　　1.1程控放大器方案 　　題目要求放大器輸入信號(hào)振幅10mV，即峰峰值為20mV，電壓增益為60dB，增益步進(jìn)為10dB，電壓增益誤差小于5%，通頻帶為100hz-40khz。 　　方案一：使用低噪聲運(yùn)放OP37按要求做6路不同幅度的放大，然后再用繼電器或模擬開關(guān)做通道切換。該方案硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，增益控制準(zhǔn)確。但是控制相對(duì)復(fù)雜且涉及的元器件較多，不利于系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)。 　　方案二：使用可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603的壓控增益接法。AD603是一種低噪聲，寬帶（Z大90M增益帶寬積）可變?cè)鲆孢\(yùn)放。根據(jù)文檔中給出的增益公式 ，直接就可得到增益的連續(xù)控制，且結(jié)果為對(duì)數(shù)值?？梢苑奖愕膶?shí)現(xiàn)0db到60dB的增益范圍。 　　綜合以上分析，我們認(rèn)為方案二的可操作性Z佳，而且方案二經(jīng)過運(yùn)放調(diào)整后可輕松的實(shí)現(xiàn)題目峰峰值要求，故選方案二。 　　1.2程控濾波器方案 　　題目要求濾波器可設(shè)置為低通和高通濾波器，-3dB的截至頻率為1K～20KHz，頻率步進(jìn)為1KHz，并且2 處系統(tǒng)的總增益不大于30dB。我們考慮的方案有以下幾種： 　　方案一：使用現(xiàn)成的濾波器芯片，如Maxim公司的開關(guān)電容濾波器芯片MAX262，可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、和帶通濾波器，ZX頻率范圍可以從DC到140KHz，能很好的實(shí)現(xiàn)題目的要求。 　　方案二：采用狀態(tài)可調(diào)濾波器，用3個(gè)運(yùn)放和電阻電容來組成，電路比較簡(jiǎn)單，而且可以實(shí)現(xiàn)LPF、BPF、HPF三種輸出?？梢允褂孟却_定決定Q值的電阻和決定ZX頻率的電容，通過不同的電阻來切換ZX頻率，以達(dá)到截至頻率為1K～20KHz，頻率步進(jìn)為1KHz。 　　方案三：采用狀態(tài)可調(diào)濾波器來實(shí)現(xiàn)，利用DA的內(nèi)部R－2R電阻網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)字量的控制實(shí)現(xiàn)電阻的變化，來改變?yōu)V波器的ZX頻率，以實(shí)現(xiàn)題目的要求。 　　比較后覺得方案一比較好，但由于沒有買到開關(guān)電容濾波器的芯片，所以放棄該方案，而采用方案三，通過數(shù)字量控制DAC0832內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)ZX頻率的改變，方案可操作性較強(qiáng)，且易于達(dá)到要求。 　　1.3 四階橢圓濾波器 　　四階橢圓濾波器的方案為： 　　方案一：利用狀態(tài)可調(diào)變量濾波器的LP、BP、HP輸出，將三個(gè)按一定的比例疊加起來就可以得到一個(gè)二階橢圓低通濾波器，再把兩個(gè)二階節(jié)串聯(lián)起來就可以實(shí)現(xiàn)4階橢圓低通濾波器. 　　方案二：利用運(yùn)放借助現(xiàn)有的Filter解決軟件，直接借助軟件給出的電路，做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整就可以實(shí)現(xiàn)4階低通橢圓濾波器。 　　比較兩個(gè)方案，方案一可以很好的實(shí)現(xiàn)題目要求，但調(diào)試起來比較麻煩，技術(shù)要求較高，方案二電路形式簡(jiǎn)單易行，可快速制作，故采用方案二。 　　1.4幅頻特性測(cè)試儀 　　題目要求我們制作幅頻特性測(cè)試儀，掃頻范圍為100Hz～200KHz，頻率步進(jìn)為10KHz，掃頻方案我們采用DDS芯片，可以很好的實(shí)現(xiàn)線性掃頻。關(guān)于檢波方案主要有兩種： 　　方案一：先檢波后放大的方案，檢波放大的方案一般采用峰值檢測(cè)的方法，檢波輸出后使用步進(jìn)分壓器，再使用直流放大器放大信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。但需注意檢波二極管的參數(shù)會(huì)影響Z小信號(hào)的分辨能力。 　　方案二：先放大后檢波的方案。放大檢波的方案一般采用均值檢測(cè)的方法，輸入信號(hào)先進(jìn)入步進(jìn)分壓器，經(jīng)放大后送入均值檢波器。但需注意放大器的帶寬會(huì)影響測(cè)量的信號(hào)的頻率范圍。 　　我們要測(cè)試的頻率范圍100Hz～200KHz，對(duì)放大器增益帶寬積的要求不是很高，故我們采用放大檢波的方案。 　　二、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)： 　　整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，程控濾波器模塊和幅頻特性曲線測(cè)試模塊，系統(tǒng)模塊的框圖如下所示：（圖省） 　　2.1 程控放大器的實(shí)現(xiàn) 　　根據(jù)題目要求，輸入峰峰值為20mV時(shí)，程控放大器的動(dòng)態(tài)范圍要做到60dB，要求輸出峰峰值從2mV到20V。本設(shè)計(jì)采用AD603的連續(xù)模式（Z佳信噪比）實(shí)現(xiàn)。該方案是把兩個(gè)AD603的增益曲線組合從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)大。如下圖所示，組合后的增益范圍約是-20dB到60dB，可以滿足題目動(dòng)態(tài)范圍的要求。 　　由于AD603的供電電壓較低，輸出電壓幅度范圍的要求則可以使用較高電壓供電的運(yùn)放，在AD603的放大基礎(chǔ)上調(diào)整實(shí)現(xiàn)。 　　2.4幅頻特性曲線測(cè)試儀的實(shí)現(xiàn) 　　幅頻特性曲線的測(cè)試時(shí)的掃頻采用MSP430F1611單片機(jī)控制DDS來實(shí)現(xiàn)，檢波使用AD637做有效值檢波 ，采用ADS8505作為單片機(jī)外設(shè)對(duì)AD637的輸出采樣，單片機(jī)的Z小系統(tǒng)使用了紅外遙控器鍵盤和320x640大液晶顯示。 　　三、系統(tǒng)軟件流程圖： 　　3.1程控濾波器的流程圖為：（圖省） 　　3.2 幅頻測(cè)試儀的流程圖：（圖?。? 　　四、系統(tǒng)測(cè)試 　　4.1 測(cè)試儀器： 　　4.2主要的測(cè)試的結(jié)果： 　　4.3放大器測(cè)試數(shù)據(jù) 　　測(cè)試60dB增益誤差平均值為1.85％，電壓增益誤差平均值為3.37％。 　　4.4濾波器參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù) 　　截止頻率平均誤差為0.027％。 　　4.5橢圓濾波器參數(shù)測(cè)試 　　-3dB通帶誤差為（50－49.6）/50＝0.8％，由于噪聲很大甚至?xí)?0多mV的直流輸出，基本上可以認(rèn)為200K處的增益在現(xiàn)有條件下是測(cè)不準(zhǔn)的。本設(shè)計(jì)的到的參數(shù)是在示波器隔直條件下測(cè)得。 　　4.6誤差分析 　　通過對(duì)仿真得到的電路進(jìn)行參數(shù)校正，本系統(tǒng)得到了很好的指標(biāo)參數(shù)。但是仍然存在著對(duì)理論分析的較大誤差，基本有如下分析： 　　1. 校準(zhǔn)時(shí)使用F40信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生20mV信號(hào)，信號(hào)的信噪比很差，噪聲功率的干擾會(huì)造成誤差的引入，同理幅頻特性測(cè)試儀的信號(hào)源也是一樣。 　　2. 校準(zhǔn)時(shí)使用的晶體管毫伏表本身是機(jī)械表，會(huì)造成相對(duì)較大的誤差，同時(shí)讀數(shù)時(shí)人眼也引入的較大的誤差。 　　3. 本題目中模擬電路相對(duì)較多，進(jìn)行調(diào)試時(shí)會(huì)綜合各方面對(duì)電路進(jìn)行補(bǔ)償，針對(duì)題目要求進(jìn)行平衡，也會(huì)造成一部分的誤差。 　　4. 電源的使用往往是電路噪聲引入的關(guān)鍵，尤其是小信號(hào)的測(cè)量中。 　　電路校正：通過誤差分析，本設(shè)計(jì)作了一些操作來減小誤差。 　　1. 使用自制AD9954的PCB板，提高輸出信號(hào)的信噪比。 　　2. 使用儀器時(shí)多次測(cè)量取平均值減小模擬表和人眼讀數(shù)的誤差。 　　3. 對(duì)關(guān)鍵的模擬電路制作PCB，并且特殊處理信號(hào)的接地，以減小模擬電路的調(diào)試難度。 　　4. 采用隔離很好的R型變壓器制作電源供電系統(tǒng)，從源頭上減小噪聲的引入。 　　五、設(shè)計(jì)總結(jié) 　　經(jīng)過幾天的努力，我們終于全部實(shí)現(xiàn)了題目給出的全部要求，同時(shí)由于時(shí)間很緊張，系統(tǒng)還不是很完善，比如說幅頻特性測(cè)試儀的圖形的顯示不是很人性化，雖然懂得橢圓濾波器是幾種濾波器的疊加結(jié)果但是沒有充足的時(shí)間推演和制作，但是深化理解電子設(shè)計(jì)知識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作是比賽Z大的收獲。 是否可以解決您的問題？

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