1 引言

有源濾波器廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理,、通信,、自動(dòng)控制領(lǐng)域，但設(shè)計(jì)可變寬頻帶有源濾波器則比較困難,。利用單片機(jī)控制參數(shù)可編程的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，精確設(shè)置有源濾波器的中心頻率fO,，品質(zhì)因數(shù)Q及有源濾波器的工作方式,。

2 開關(guān)電容有源濾波器工作原理

開關(guān)電容有源濾波器的基本原理是在電路兩節(jié)點(diǎn)之間接具有高速開關(guān)的電容器，等效于兩節(jié)點(diǎn)之間連接一只電阻,。圖1（a）是一個(gè)有源RC積分器,，圖1（b）是采用一只接地電容C1和CMOS開關(guān)T1、T2替代輸入電阻R1,。圖1（c）是不重疊的兩相時(shí)鐘脈沖,，用于驅(qū)動(dòng)T1、T2,。時(shí)鐘頻率fCLK高于信號(hào)頻率。當(dāng)φ1為高電平時(shí),，T1導(dǎo)通（視短路）而T2截止（視開路）,，此時(shí)C1與輸入信號(hào)VI相連并充電（如圖1（d）所示），即有電荷qcl=C1V1,。當(dāng)φ2為高電平時(shí),，T1截止而T2導(dǎo)通，此時(shí)C1與輸入信號(hào)VI斷開而接至運(yùn)算放大器的輸入端,，C1放電,，充電電荷qc1傳輸至C2。每一時(shí)鐘周期Tc內(nèi),，從信號(hào)源提取的電荷qcl=C1VI提供至積分電容器C2,。因此，在節(jié)點(diǎn)1,、2之間流過的平均電流為iav=C1VI/TC,。若TC足夠短，可近似認(rèn)為這一過程是連續(xù)的,，因而可在兩節(jié)點(diǎn)間定義一只等效電阻Req,，即Req=VI/iav和Req=Tc/C1。這樣可得到等效積分器時(shí)間常數(shù)τ,，即τ=C2Req=TCC2/C1,。顯然，濾波器頻率響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)τ取決時(shí)鐘周期TC和電容比值C2/C1,，而與電容的絕對值無關(guān),，集成電路工藝制作小容量電容易于實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電容比值恒定時(shí),，改變時(shí)鐘頻率,，就可改變?yōu)V波器的截止頻率,，即開關(guān)電容濾波器的基本工作原理。

3 MAX262簡介

MAX262是美國Maxim公司生產(chǎn)的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器,，其引腳功能及內(nèi)部框圖如圖2所示,。MAX262內(nèi)部集成有2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的二階通用開關(guān)電容有源濾波器及1個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器OP。這兩個(gè)有源濾波器既可獨(dú)立使用,，也可串聯(lián)使用,。對濾波器的工作方式，中心頻率fO,，品質(zhì)可通過D0D1,，A0～A3端口線在WR上升沿寫入所選中的內(nèi)部單元來設(shè)置濾波器的工作方式、中心頻率fO以及品質(zhì)因數(shù)Q等參數(shù),。詳見表1所列,。其中，中心頻率fO的范圍為1Hz～140kHz,。fCLKA和FCLKB為內(nèi)部開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)所需的外部時(shí)鐘,，一般為中心頻率fO的幾十至上百倍。

表1中MOM1為工作方式,，僅在地址為A3A2A1A0=0000（或1000）時(shí)才能寫入,。F0～F5為fO控制字，Q0～Q6為品質(zhì)因數(shù)Q的控制字,。D0D1=00時(shí)為工作方式1,，實(shí)現(xiàn)LP（低通）、BP（帶通）,、N（陷波）功能：DOD1=01時(shí)為工作方式2,，實(shí)現(xiàn)區(qū)別于工作方式1的LP（低通）、BP（帶通）,、N（陷波）功能,；D0D1=10時(shí)為工作方式3，實(shí)現(xiàn)LP,、BP,、HP（高通）功能；D0D1=10時(shí),，若使用獨(dú)立運(yùn)放OP為工作方式3A,，實(shí)現(xiàn)有別于工作方式3的LP、BP,、HP功能,。D0D1=11時(shí)為工作方式4，實(shí)現(xiàn)LP,、BP,、AP（全通）功能,。MAX262有INA、INB兩個(gè)信號(hào)輸入端,，允許最大輸入電壓振幅為±4.7V,。

4 程控有源濾波器硬件電路設(shè)計(jì)

程控有源濾波器硬件電路框圖如圖3所示。利用89C51控制鍵盤顯示器8279,、可編程計(jì)數(shù)器8254,、可編程有源濾波器MAX262。其中8254是3通道16位可編程計(jì)數(shù)器,，計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率可達(dá)10MHz,，可向MAX262提供精確的時(shí)鐘頻率fCLKA和fCLKB。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求濾波器可設(shè)置為低通,，其-3dB截止頻率fc在1kHz～20kHz調(diào)節(jié)頻率的步進(jìn)值為1kHz內(nèi)要求在2fc處濾波器幅頻特性下降不小于10dB,；同時(shí)濾波器可設(shè)置為高通濾波器，其fc范圍及步進(jìn)值與低通模式相同,，其要求0.5fc處濾波器幅頻特性下降不小于10dB,。將濾波器A設(shè)置為工作方式1，濾波器B設(shè)置為工作方式3,。二階有源低通濾波器的傳遞函數(shù)為：GL（s）=HOLP[（ω0/（s2+2ω0/Q+ω0）]，（HOLP為直流增益）,。令｜GL（s）｜為0.707HOLP處的頻率為fc,，則

經(jīng)計(jì)算當(dāng)Q=0.7時(shí)，fc=f0,，2fc處幅頻增益為-12dB（實(shí)測小于-12dB）,，滿足要求。對于高通濾波器當(dāng)q=0.7時(shí),，同樣要求增益在fc=f0處下降3dB,，而在0.5fc處幅頻增益為-12dB。根據(jù)參考文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù),，fCLKA/f0（或fCLKB/f0）的比值必須高于40.84,。濾波器工作在方式1或方式3時(shí)，fCLK/f0=[π（26+N1）]/2,，N1為F0～F5的值,，取N1=10，則fCLK/fO=56.55,。Q=64/（128-N2）,，因?yàn)镼=0.7，所以N2=Q0～Q5=37,。當(dāng)fO=1kHz時(shí),，fCLKB=56.55kHz,。

5 程控方式的實(shí)現(xiàn)

由MAX262工作原理可知，當(dāng)工作方式,、F0～F5,、Q0～Q5值寫入MAX262后，若要對濾波器的工作頻率fO實(shí)現(xiàn)步進(jìn)值為1kHz的程控,，只要使fCLKA/fO（或fCLKB/fO）的比值為56.55即可,。本電路設(shè)計(jì)采用8254可編程計(jì)數(shù)器產(chǎn)生fCLKA和fCLKB。8254是3通道16位可編程計(jì)數(shù)器,，最高計(jì)數(shù)脈沖頻率fCLK為10MHz,，當(dāng)被設(shè)置為工作方式3時(shí)為方波發(fā)生器輸出，通道0的輸出作為fCLKA,，通道1的輸出作為fCLKB,。由于8254是16位可編程計(jì)數(shù)器，經(jīng)其分頻后輸出方波的頻率fCLKA和fCLKB對fO的比值接近56.55,，若fCLKA,、fCLKB為固定值，用F0～F5的設(shè)置時(shí),，fCLKA/fO或fCLKB/fO僅有64種選擇,，顯然精度較低。當(dāng)通過鍵盤輸入fO值后,，單片機(jī)計(jì)算出相應(yīng)的分頻系數(shù)MA,、MB寫入8254。若步進(jìn)值為固定值,，則將對應(yīng)fO的MA,、MB以表格形式進(jìn)行存儲(chǔ)，直接查表即可,。

6 結(jié)束語

基于單片機(jī)控制的可編程有源濾波器可實(shí)現(xiàn)低通,、高通、帶通,、陷波,、全通濾波器。在程序控制下可精確地改變?yōu)V波器的帶寬,、中心頻率及品質(zhì)因數(shù)Q,，經(jīng)實(shí)際測試效果良好。當(dāng)MAX262作為低通濾波器使用時(shí),，為了抑制開關(guān)頻率fCLKA產(chǎn)生的噪聲,，可在濾波器的輸出端串聯(lián)一個(gè)截止頻率小于最低fCLKA的連續(xù)時(shí)間的低通濾波器，其效果更好。