2009年5月 第32卷 第3期四川师范大学学报(自然科学版)
Journal of Sichuan Nor mal University (Natural Science )May,2009Vol .32,No .3
收稿日期:2008-01-24
基金项目：国家自然科学基金(10604045)和山东省高等学校实验技术研究(417202000212)资助项目作者简介：常新华(19692)，男，讲师，主要从事嵌入式系统及应用、混沌保密通信的研究
常新华, 王洪刚, 于永江, 马秋明
(鲁东大学物理与电子工程学院，山东烟台264025)
摘要：利用AD620仪表运放、T L084、DAC 转换器MAX527、可编程有源开关电容滤波器LMF100及DDS 集成芯片AD9854等，设计了以单片机为控制核心的交流小信号程控放大和程控滤波器，程控滤波可实现四阶高通、低通以及带通滤波，放大器增益和低通、高通截止频率均可实时键盘调整，并介绍了设计的详细方法和原理. 关键词：程控放大滤波;LMF100;AD620;MAX527单向隔离网闸
中图分类号:T N72;T N713 文献标识码:A 文章编号:100128395(2009)0320381205
do i:10.3969/j .iss n.100128395.2009.03.025
对微弱的交流信号进行放大和滤波在自动测
控领域的应用十分广泛，其中很多是模拟放大和有源模拟滤波，其增益和滤波参数难以调整，在许多电压幅度和滤波参数需要经常改变的场合中的应用受到限制[123]
.本文试验给出了一种增益可变、截止频率参数可控的滤波器设计方案，该方案可对频率0220kHz 的毫伏级微弱信号实现60dB 以上无失真电压放大，放大器增益可实时键盘任意调整；程控滤波部分设计了由四阶低通和高通滤波器组成的带通滤波[425]，滤波器的低通和高通截止频率可在1Hz 220kHz 范围内编程步进调整.
1 程控放大
采用四级放大，第一级利用仪表运放AD620[6]
作为毫伏级微弱信号的前置放大,AD620是AD 公司生产的高精度单片仪表运放，具有很好的直流和交流特性，还有低功耗、高输入阻抗、低输入失调电压、高共模抑制比等优点，只用一个外部电阻就可
实现G =121000倍放大,G =1时增益带宽为1MHz,G =100时为120kHz .图1所示为一二级前置放大电路，被放大信号接AD620运放2、3脚，其中信号地接2脚反相端.调节图中AD620外接可调电阻RW 2，使AD620只对输入信号进行50倍前置放大，如果要增大带宽，这一级放大倍数不能太大，根据实验,AD620在增
益G =50时，带宽可达200kHz 以上，试验发现此
时500kHz 信号仍然不失真，但若G 大于100，虽然共模抑制比更好，但带宽减少明显,G =80时200kHz 正弦信号通过运放就会产生波形失真.为了防止电压漂移,R W 2最好使用精密电阻.AD620的基
本增益G =49.4×103
/R g +1,R g 为RW 2阻值，将G =50代入，可得R g ≈1008Ω.无动力除尘
二级放大利用Tl084实现G =1.6倍同相放大，调节R W 3使第二级增益G =1.6,Tl084带宽可达1MHz，这样第一二级共50×1.6=80倍增益.量程10mV 信号经二级放大后最大输出0.8V，之所以选择0.8V，是因为后级放大时我们要利用DAC 转换器，输入信号电压不能大于1V ，否则输出信号会产生失真.
第三级放大实际是可编程衰减器，电路如图2所示，采用DAC 转换器MAX527实现高精度可编程增益衰减.MAX527具有4个DAC 通道，分辨率为12位,4路单端电压输出V OUT A ,V OUT B ,V OUTC ,V O
U T D ，外接的基准源可接直流或交流信号，双极性D /A 模拟电压输出等.MAX527输出电压V OUT 与输
入数字量D n 及参考电压V REF 的关系如下
V OU T =(D n ×V REF )/4096.
(1)V OU T 与V REF 成正比，如果把要放大的信号作为MAX527的参考电压V REF ，只需改变DAC 寄存器的数字量D n ，就可以实现对V REF 信号的放大和缩小,
插卡式摄像头从而可以实现系统整体放大分贝数的控制.D
n
是12位二进制数字，取值024096，第二级放大后10 mV信号变为0.8V，再经过12位D/A转换后可实
现最大4096倍的衰减，利用单片机输出数字量可实现4096档增益调节.
为使电压增益达到60d B即1000倍以上，还须加第四级15倍放大电路，使最终电压放大倍数为50×1.6×15=1200倍,10mV电压最后被放大到12V.第四级放大也可大于15倍，但要保证信号末级放大输出不超过电源电压±15V，第四级放大与第二级放大电路相同.
MAX527转换速度为5μs,DAC转换速度最大
为200kHz，但V
REF
信号的频率不受此影响，试验发
现V
REF
的频率即使超过1MHz以上，仍然能够按照
(1)式不失真输出V
REF
波形.
四级放大共实现电压总增益为
A=20lg(D n×1200/4096),
其中A为增益分贝数.
利用单片机通过总线方式控制MAX527，被放
大信号接到通道A的V
REF
端，最后从通道A的V OUT A端输出.要注意的是，一二级和末级运放的电
源地均是模拟信号地，应和MAX527的模拟地A
G ND 接在一起，而单片机的电源地和MAX527的数字地G ND要接在一起，最后在线路板上通过一个细导线或1210Ω左右电阻连接，这样可防止单片机的数字信号通过数字地对模拟信号的放大形成干扰；放大器电源要求纹波足够小，另外每一级放大器电源都必须加去耦电容；线路板的上下两层应大面积覆铜并在相应位置接模拟地或数字地，以屏蔽和过滤电源及电磁干扰信号.
2 程控低通和高通滤波
普通的有源滤波器由运算放大器和数量很多的RC组成，参数难以调整,LMF100[7]是美国国家半导体公司生产的C MOS双二阶通用开关电容有源滤波器，仅需外接时钟和224个电阻即可构成各种带通、低通、高通、带阻和全通滤波器.只要设定好它的工作模式，改变时钟频率即可改变其截止频率，一片LMF100内含2个独立的二阶滤波器，可实现四阶双二次函数滤波，通过多片L MF100芯片级联可以实现高阶函数滤波.LMF100滤波器时钟频率f
clk
与工作中心频率(中心频率决定截止频率)的比值有两种方式，分别为50∶1和100∶1，可通过12脚接高低电平来选择，也可通过外接电阻来调节
比值关系；时钟频率在Q=10,V
+
=+5V,V-= -5V条件下，最小值为5Hz，最大为3.5MHz.图3所示为Q值偏离△Q与时钟频率的关系图，由图可见当时钟大于1MHz时,Q取值越大△Q值变化越明显，所以如果Q大于1通常取工作时钟的最大值为1MHz.
L MF100有12种工作模式，其中方式3可以实现高通、低通、带通输出，为简化电路，本文的低通
283 四川师范大学学报(自然科学版) 32卷
和高通滤波都工作在方式3，利用一片L MF100内部两个二阶滤波电路级联构成四阶低通滤波器，而另一片LMF100内部2个二阶电路级联构成四阶高通滤波器，两片LMF100再级联构成带通滤波，信号滤波框图如图4所示.
LMF100内部的二阶低通和高通滤波器响应如图5所示，二阶低通滤波函数如下
H LP (s )=H OLP ω
2
s 2+s ω0/Q +ω20
,
(2)f c =f 0
(1-
12Q
1
)+(1-
12Q
2
)
2
+1,
f p =f 0
1-
12Q 2
,
H O P =H OL P
1
1
Q
1-
14Q
2
,
ω0为中心角频率,f 0为中心频率,f c 为二阶低通3d B 截止频率,f p 为通带最高增益对应频率,H O P 为通带最高增益,H OLP 为f ϖ0时增益.
高通滤波函数如下
H HP (s )=H OHP s
2
s 2
+s
ω0/Q +ω20
,
(3)
f c =f 0[
(1-12Q
1
)+
(1-
12Q
2
)2
+1]-1
.
f p =f 0[1-
12Q
2
数字式水表]-1
,
H O P =H OLP
11
Q
1-
14Q
2
,
ω0为中心角频率,f 0为中心频率,f c 为二阶高通3d B 截止频率,f p 为通带最高增益对应频率,H O P 为通带最高增益,H OHP 为f ϖf clk /2时增益.
薄板焊接
LMF100在方式3时内部结构如图6所示,LP A ,HP A 分别是低通和高通输出端,R 1,R 2,R 3,R 4
是方式3的外接电阻，此时滤波器各参数公式如下
f 0=f clk
100
R 2R 4(50/100引脚接地),f 0=
f clk
电热手套50
R 2R 4
(50/100引脚接正),(4)Q =
R 2/R 4R 3/R 2,
(5)H OHP =-R 2/R 1,(6)H OLP =-R 4/R 1.
(7)
为实现四阶滤波，首先确定二阶滤波器函数,
先计算外围电阻取值，取H OLP =-1,H OHP =-1,R 1
=10k
Ω，由(6)和(7)式得R 4=R 2=10k Ω；再取Q =1，则由(5)式得R 3=10k
Ω.在具体应用中合适的Q 值应通过Matlab 计算仿真后选取并以实验验证.
由于选择R 4=R 2，且50/100引脚接正，由(4)式得f clk 与中心频率f 0的比值等于50∶1.由(2)式得四阶低通滤波函数
H LP 24(s )=H LP (s )H LP (s )=H OLP s
2
s 2
+s
ω0/Q +ω2
0H OLP s
2
s 2
+s ω0/Q +ω2
0.
由(3)式得四阶高通滤波函数
H LP 24(s )=H LP (s )H LP (s )=H OLP ω2
s 2
+s
ω0/Q +S H OLP ω2
s 2+s ω0/Q +S . 为了求出四阶滤波器的3d B 截止频率f c 与时
钟f clk 的对应关系，需求出f c 与f 0的关系，可以借助Matlab 函数freqs ().以低通为例，先求出1220kHz 区间每一频率f 0对应的滤波器系统函数，然后求出该函数下的截止频率f c .四阶低通截止频率f c 应位于f 021.5f 0之间，所以根据系统函数利用freqs ()先求出频率f 021.5f 0区间内的每一点的归一化幅度值，然后从所有幅度值中出幅度最接近1/2的点，该值对应的频率即为四阶低通滤波的截止频率f c ，而四阶高通滤波截止频率f c 应位于12f 0之间.现
3
83 第3期常新华等：一种程控放大滤波器设计
在已知每一个频率下的f
c
，如果给出截止频率f′c求f0，则只要从所有的f c中到最接近f′c的点，该点
对应的频率即是中心频率f
，从而可求出时钟f clk= 50×f0.在此给出四阶低通滤波由f0求f c的Matlab 程序如下:
Q=1;
H_ol p=-1;
freq=20000;
fc=zer os(1,20000);
f or f0=1:freq
w0=f036.28;
b=[0000(H_ol p3w0)^4];
a1=[1w0/Q w0^2];
a=conv(a1,a1);
[h,w]=freqs(b,a,w0:(w031.5));
h1=abs(h);
h w=h1(1);
te mp=1;
f or j=1:length(w)
if(abs(h1(j)-0.707)<abs(h w-0.707))
h w=h1(j);
te mp=j;
end
end
fc(f0)=w(te mp)/6.28;
end
%截止频率在向量fc中
低通和高通滤波实际电路如图7和图8所示.3 实验数据
本文计算出了0220kHz区间内每一频率f
对
应的f
c
值，以及每一频率f
c
对应的f
近似值，将所
需的低通和高通的f
c
与f
的对应关系表固化在单
片机ROM中，键盘给出f
c
后，单片机从表中查出对
应的f
，然后控制DDS芯片发出50f0Hz的时钟信号，部分实验数据如下.
从1kHz开始每隔500Hz取一频率作为3dB 截止频率，直至20kHz共40个频率点，其对应的四
阶低通滤波的中心频率f
c
分别是:0.872,1.308, 1.744,2.180,2.616,3.052,3.488,3.924,4.360, 4.796,5.232,5.668,6.104,6.540,6.976,7.412, 7.848,8.284,8.720,9.156,9.592,10.028,10.465, 10.901,11.337,11.773,12.209,12.645,13.081, 13.517,13.953,14.389,14.825,15.261,15.697, 16.133,16.569,17.005,17.441kHz.
对应的四阶高通滤波中心频率f
分别是: 1.147,1.720,2.293,2.867,3.440,4.014,4.587, 5.160,5.734,6.307,6.880,7.454,8.027,8.601, 9.1
74,9.747,10.321,10.894,11.467,12.041, 12.614,13.187,13.761,14.334,14.908,15.481, 16.054,16.628,17.201,17.774,18.348,18.921, 19.494,20.068,20.641,21.215,21.788,22.361, 22.935kHz.
483 四川师范大学学报(自然科学版) 32卷
实验表明实际数据与理论数据基本一致,
微小误差可忽略不计，引起误差的主要原因是由于电阻标称值精度低和Matlab 近似计算所致，为了减少误
差，所有电阻最好使用精密电阻，或者用精密可调电阻手动调节精确阻值.
4 结论
本文利用AD620仪表运放和D /A 转换器等实现了毫伏级信号的程控放大，并利用LMF100开关电容滤波芯片实现了程控低通、高通和带通滤波，放大器分贝数和滤波器截止频率均可键盘调整，达到了一定的精度,LMF100多个芯片级联还可实现更高阶数滤波，文中提出的方法具有一定的实用意义.
致谢 本文得到鲁东大学校基金项目(L20072801)资助.
参考文献
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Design of a Pr ogra mmable Amp lifier and Filter
CHANG Xin 2hua, WANG Hong 2gang, Y U Yong 2jiang, MA Q iu 2m ing
(School of Physics and Electronic Engineering,Ludong U niversity,Yantai 264025,Shangdong )
Abstract:A p r ogra mmable a mp lifier and filter is designed for AC s mall signal,which uses MC U as the contr ol core and app lies AD620instru mentati on amp lifier,T L084,DAC converterMAX527,p r ogra mmable s witch electric capacity filter LMF100and DDS in 2tegrated chi p AD9854etc .The p r o
gra mmable filter can accomp lish f our 2order highpass,l owpass and bandpass .The gain of the a mp li 2fier and cut 2off frequencies can be adjusted by keyboard continually .Detailed methods and p rinci p les are als o intr oduced .
Key words:Pr ogra mmable a mp lifier and filter;LMF100;AD620;MAX527
(编辑 李德华)
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83 第3期常新华等：一种程控放大滤波器设计
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