1 引言
有源濾波器廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理、通信、自動控制領(lǐng)域，但設(shè)計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）是不重疊的兩相時鐘脈沖，用于驅(qū)動T1、T2。時鐘頻率fCLK高于信號頻率。當(dāng)φ1為高電平時，T1導(dǎo)通（視短路）而T2截止（視開路），此時C1與輸入信號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，T1截止而T2導(dǎo)通，此時C1與輸入信號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。每一時鐘周期Tc內(nèi)，從信號源提取的電荷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間常數(shù)τ，即τ=C2Req=TCC2/C1。顯然，濾波器頻率響應(yīng)的時間常數(shù)τ取決時鐘周期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，改變時鐘頻率，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個結(jié)構(gòu)相同的二階通用開關(guān)電容有源濾波器及1個獨(dú)立的運(yùn)算放大器OP。這兩個有源濾波器既可獨(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時為工作方式1，實(shí)現(xiàn)LP（低通）、BP（帶通）、N（陷波）功能：DOD1=01時為工作方式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時為工作方式3，實(shí)現(xiàn)LP、BP、HP（高通）功能；D0D1=10時，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時為工作方式4，實(shí)現(xiàn)LP、BP、AP（全通）功能。MAX262有INA、INB兩個信號輸入端，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
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位可編程計數(shù)器，計數(shù)時鐘頻率可達(dá)10MHz，可向MAX262提供精確的時鐘頻率fCLKA和fCLKB。
本系統(tǒng)設(shè)計要求濾波器可設(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)計算當(dāng)Q=0.7時，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，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，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，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)計采用8254可編程計數(shù)器產(chǎn)生fCLKA和fCLKB。8254是3通道16位可編程計數(shù)器，最高計數(shù)脈沖頻率fCLK為10MHz，當(dāng)被設(shè)置為工作方式3時為方波發(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，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，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，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)一個截止頻率小于最低fCLKA的連續(xù)時間的低通濾波器，其效果更好。