簡易程控聲波濾波器的設計與實現*

粟向軍，榮軍，陳松，章小龍

(湖南理工學院信息與通信工程學院，湖南岳陽414006)

簡易程控聲波濾波器的設計與實現*

粟向軍*，榮軍，陳松，章小龍

(湖南理工學院信息與通信工程學院，湖南岳陽414006)

設計了一個能對10 Hz～60 kHz的聲波信號進行精確程控濾波器系統，該系統采用STM32F103單片機作為控制核心，使用精密運放NE5532構成電壓跟隨緩沖部分，提高了系統濾波的精確性。程控濾波器采用CMOS雙二階通用開關電容有源濾波器MAX262構成，可通過微處理器STM32F103精確控制濾波器的傳遞函數，在不需外部元件的情況下就可以構成各種帶通、低通以及高通濾波器;系統性能指標精度比較高，工作可靠，人機交互以及用戶界面非常友好。

濾波器;數字控制;功率放大

在聲波信號處理過程中，輸入信號通常是夾雜有復雜噪聲的信號，而且噪聲和干擾的頻率是變化的，為了得到高信噪比的輸出信號，就要求濾波電路具有智能程控濾波功能，即能夠根據干擾、噪聲頻率的不同而改變信號處理電路的濾波器設置，從而獲得比較高的信噪比的信號以供后級電路處理，從而提高整個系統的準確性以及穩定性，這種電路就被稱為濾波器［1］。大部分有源濾波器通常由運放和RC獨立元件構成，想改變輸出頻率特性的時候可以通過改變RC網絡參數。使用運放和可改變元件參數的RC網絡，可以方便地組成各種頻率特性的濾波器，缺點在于對元器件的參數精度要求比較高，電路設計復雜，濾波器特性一旦設計完成，改變非常困難，在這種情況下，對于一些輸入信號頻率和幅度動態范圍很寬，或者要求保證截止頻率精度的場合使用受到限制［2-3］。為了解決以上問題，本文研究了一種簡易的數字濾波器，可靠地提高了濾波器的性能和指標的同時避免了傳統有源濾波器電路濾波特性參數精度不高、電路復雜、設計和調試麻煩等難題。

1 濾波器理論分析

設計濾波器的一般步驟是首先根據要求設計濾波器的特征指標比如中心頻率、通帶截止頻率、阻帶截止頻率、衰減要求等，確定設計濾波器的主要參數比如Q值，以及傳輸函數，然后根據傳輸函數求得具體電路，真正的這種原始的濾波器設計方法，計算煩瑣，很容易出錯，且設計精度也不高，調試過程工作量大，整個工作周期長。現在很多模器件公司都有把這種低頻段的有源濾波器做成集成電路，這樣就大大的減少了濾波器的設計周期，且提高精度，參數改變也相對比較靈活。因開關電容有源濾波器的靈活性好，所以現在它的應用較為廣泛。做得比較出色的有凌力爾特的LTC1068和美信的MAX260系列芯片，本文就選用基于MAX262設計的濾波器作簡要的理論分析。

本文就以二階低通濾波器(LPF)為例闡述其工作原理，圖1為二階壓控型LPF原理圖，其中二階壓控型LPF的傳遞函數為:

圖1 二階壓控型LPF原理圖

對于節點N，可以列出下列方程

上式表明，該濾波器的Avp只有比3小，其傳輸系統的極點才全部在左半平面，系統才不自激能穩定工作。將電阻電容電感轉換到S域，繼而根據運放的虛短虛斷得到一個方程組，聯立增益的定義，化簡電路可得:

分析電路表達式之后可以發現在頻率值f取到fo時，上式也就等價為:

有源低通濾波器的品質因數Q:值拐角增益與通帶增益的比值:

從上式子可知，在f=f0處的電壓增益的模將大于通帶增益(Avp)，在f=f0處增益比值將變大，根據文獻［4］。當Avp≥3時，Q=∞，對應到圖上就是產生了一個極點，而且頻率在右平面，所以有源濾波器將會自激。將C1直接跨接到輸入與輸出之間，等同于在高頻端(低頻時阻抗太大)給濾波電路加了正反饋，因此在高頻端的增益數值(Au)將會有所抬

聯立求解以上3式，可得LPF的傳遞函數:高，這樣的話就有可能會引起自激。

由以上分析可知Q的大小對于系統的穩定性是非常重要的，根據二階壓控型低通濾波電路的幅頻特性曲線可以了解:濾波器的品質因數Q，也即低通濾波器的截至特性系數，其值取決于f=f0附近的頻率特性。按照f0附近的特性來看的話，可以把濾波器分為巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾3種類型，其Q值分別為0.707、1、0.56。眾所周知巴特沃斯型濾波器是平坦度最好的，其在f0處無峰值單調減，切比雪夫型在f0處有點過沖，但是截至特性好，貝塞爾型濾波器雖然帶寬有所降低，但是過渡特性好，相頻無峰值。

本系統要求設計一個能對10 Hz～60 kHz的聲波信號進行程控濾波的裝置，低通部分的要求是: 1 kHz，3 kHz，30 kHz，60 kHz 4檔，根據MAX262的DATASHEET可以得到低通的傳遞函數為:

Hopl為直流信號處的低通輸出增益。程控濾波芯片MAX262的核心為采樣系統fclk為其采樣頻率，根據二分頻可知外部時鐘為2 fclk，f0的取值為1 kHz，3 kHz，30 kHz，60 kHz，Q取參考值為1，然后根據文獻［5］中的參考芯片手冊的參考表格、表達式計算或者利用MAX26X系列專用軟件進行數據軟校正，為了防止采樣后的信號頻譜混疊，采樣比按照奎特斯原理設為fclk≥2f0，但是為了更加使系統達到接近連續時間濾波的效果這里采用ratio范圍為31至109，ratio越大則越接近理想連續時間濾波狀態。MAX262濾波的輸出有其不完善的地方，比如，時鐘干擾，內部噪聲等。在低通濾波電路的輸出中會含有開關信號夾雜在輸出信號中，呈現階梯鋸齒狀，為了消除這類噪聲特在MAX262的輸出端加入一級單級點的低通濾波器，由于信號范圍寬度為60 kHz左右，所以當采用ratio=50時，最小的采樣率為1 kHz×50= 50 kHz，但是信號頻率覆蓋了50 kHz達到了60 kHz這就使得這個低通濾波器無法滿足系統要求，在這里本文采用兩組模擬低通濾波器用模擬開關控制分段切換濾波，保證了高精度和穩定性，在窄帶內實現濾波精度是首要考察的因素。

2 數字控制濾波器軟硬件設計

由于系統的輸入信號是前級AGC模塊處理后的含有噪聲干擾的信號，因此為保證系統穩定以及減少級間干擾，該系統首先是對信號進行預處理，即用5532運放隔離前后級，減少級間干擾，然后采用后級的濾波電路濾除高頻干擾和時鐘噪聲，而且將當前的設定值有12864液晶實時顯示出來，由此我們可以知道，該系統總共由2部分模塊組成，也就是程控濾波模塊部分和跟隨隔離、鍵盤以及顯示模塊的部分。整個系統以STM32F103單片機為控制器，將這3部分連接起來構成一個簡潔的程控濾波信號處理電路，系統框架如圖2所示。

圖2 系統總體框架

2.1 放大/緩沖電路設計

在很多信號采集系統中，為了保證系統的穩定性，一般采取前后級模塊緩沖隔離的連接方式，一般的緩沖方式選擇電壓跟隨電路，而電壓跟隨電路中運放的選擇決定了其緩沖隔離的效果，一般的跟隨運放選擇的標準是優異的噪聲性能，寬帶寬，優秀的驅動能力，寬電源電壓，低失調電壓等。根據以上要求選擇了運放NE5532作為緩沖，NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器。與很多標準運放相似，但它具有更好的噪聲性能，優良的輸出驅動能力及相當高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。此系統研究的是10 Hz～60 Hz的聲波信號，以NE5532芯片32.81 ft的單位增益帶寬積完全滿足系統的要求，其具體電路如圖3所示。

圖3 增益/緩沖模塊

2.2 濾波電路設計

程控濾波器以MAX262為核心，而MAX262則是雙二階開關電容有源濾波器，它由微處理器精確控制濾波函數即可構成低通、高通、帶通等濾波器，且不需外部器件。MAX262含有兩個二階濾波器，可在控制下設置中心頻率f0，品質因數Q和濾波器工作方式。輸入時鐘f0與6 bit編程輸入代碼一起可決定濾波器的中心或截至頻率，Q值則可獨立編程。濾波器的截止頻率的調節可通過改變MAX262的時鐘信號頻率fclk與MAX262的頻率控制字N來實現，設N為固定值，那么便可通過改變時鐘信號頻率fclk來控制濾波器的截至頻率。本系統中采用MAX262時鐘頻率給定的工作方式，需要改變的只是濾波器的中心頻率f0和品質因數Q值。根據芯片手冊提供的外圍電路，設計的MAX262濾波電路見圖4所示［6］。

圖4 基于MAX262的濾波電路

2.3 軟件電路設計

根據濾波系統實現的功能，系統軟件主要實現的功能有:(1)選擇MAX262的高通模式，并通過理論計算或者通過MAXIM專用軟件設置相應參數如f0、Q值等并轉換成對應的N二進制代碼;(2)選擇程控濾波器的低通/帶通模式，并如同(1)設置相應參數;(3)具有非常好的人機交互功能，并且顯示當前系統工作的情況;設計采用模塊化編程的基本思想，模塊的內部采用層次化結構，將硬件接口程序以及各個功能模塊的初始化程序作為最底層的子驅動程序來完成最基本的工作，整體實現方法是:控制硬件接口的中斷矢量，并向上層提供接口以供上級程序讀取數據，中間層程序完成底層數據的收集和處理并且將其處理結果最終上傳至的上層功能控制程序;最后主程序作為“調度員”通過調用各個不同的中間層子程序來實現各種各樣的組合功能。應用軟件的總體結構如圖5所示［7-8］。

圖5 系統軟件總體設計框圖

3 實驗結果及分析

3.1 技術指標

本文要求設計一個能對10 Hz～60 kHz的聲波信號進行程控濾波的裝置，要求如下:(1)采用二階開關電容巴特沃斯濾波器，實現程控帶通濾波功能。(2)高通頻率分四檔:1 kHz，3 kHz，30 kHz，60 kHz。(3)低通頻率分三檔:10 Hz，500 Hz，2 kHz。本系統的數據測試主要包括兩個部分:整機靜態工作點以及MAX262濾波模塊，具體測試數據類型包括有靜態工作點電壓值、信號頻率值、幅度值等。使用的測試儀器有:Tektronix TDS1012數字示波器、勝利VC890數字萬用表、SU3080函數發生器以及南京新聯EE1251數字化掃頻儀。

3.2 測量結果及分析

第1部分測試時靜態工作點的測試，靜態工作點是整個系統能正常運轉的基本條件，并且靜態工作點的穩定與否直接影響著系統的性能。測試方法:采用勝利VC890數字萬用表主要對隔離緩沖模塊的靜態工作點以及MAX262芯片的電源引腳電壓進行測量，測試結果如表1所示。

由表1中的數據可以看出，本系統的靜態工作點電壓值與理論值基本吻合，系統靜態工作狀態下穩定，基本滿足系統要求。如需進一步提高系統精度，可在隔離緩沖模塊中加入調零電路。

表1 靜態工作點單位:V

第2部分測試是MAX262芯片的測試，本系統的核心部分就是MAX262芯片，其性能主要影響著該系統的精度。測試方法如下:采用SU3080函數發生器發出雙路信號，一路為待測信號，另一路為同電壓幅值的噪聲信號;將兩路信號通過外部加法器相加，具體電路如圖6所示，然后送入MAX262芯片的輸入端，通過HD7279按鍵選擇濾波器類型以及具體參數:如Q值，截至/中心頻率，通頻帶等參數;然后使用Tektronix TDS1012數字示波器或者南京新聯EE1251數字化掃頻儀對MAX262的輸出信號進行測量并記錄測試數據，測試數據如表2和表3所示。

圖6 加法電路

表2 MAX262 LPF測試數據單位:Hz/VPP

表3 M AX262 HPF測試數據單位:Hz/VPP

圖6所示的電路為外部加法電路。實現了將輸入兩路信號進行相加混合，然后送入后級濾波電路。為保證信號是幅值無失真傳輸(由于輸入信號為交流信號，且此處僅測量其頻率與電壓幅值)，所以加法電路取兩路增益均為單位增益，所以根據公式:

當Rf=R2=R1時，輸出信號無電壓幅度失真。

從表2和表3中的實驗數據分析可知該濾波器系統性能接近理想連續時間濾波器的性能。在多次測量的過程中有極個別的數據誤差較大，其他情況下均能滿足系統設計要求。

4 結論

本文設計的針對10 Hz～60 kHz的聲波信號的程控濾波器的設計與實現，對數據采集系統的輸入信號進行前置處理，能實現輸入信號的緩沖，高通、低通和帶通濾波功能。當輸入信號幅度變化時，通過前級的跟隨隔離模塊實現對后級濾波電路的穩定驅動以及與后級濾波電路的隔離，最終使輸入信號幅度基本保持穩定;而對于輸入信號頻率的改變，借助單片集成可編程濾波器芯片的同時輔以簡單的外圍器件，采用編程數據來完成RC網絡的切換，通過單片機編程對各種低頻信號實現低通，高通(帶通，帶阻以及全通)濾波處理，而且濾波的特性參數如中心頻率，品質因數等也可以根據不同的應用場合適當進行設置。因此本文設計的濾波器可以很好的應用于信號頻率及幅度在寬范圍內變化的場所，操作方便并且性能優良。

［1］高吉祥.全國大學生電子設計競賽培訓系列教程:電子儀器儀表設計［M］.北京:電子工業出版社，2007:93-98.

［2］柴超.基于DSP的數字濾波器及應用系統設計與實現［D］.遼寧工程技術大學，2005.

［3］張琴，李海華，程駿，等.基于ADS的微波帶通濾波器的研究與設計［J］.電子器件，2014，37(1):42-45.

［4］高健.基于DSP的數字濾波器設計［D］.安徽大學，2005.

［5］http://www.cnblogs.com/yuesheng/archive/2011/08/19/2146127.html

［6］童詩白，華成英.模擬電子技術基礎［M］.北京:高等教育出版社，2006:246-249.

［7］王國杰，張惠，賀洪江.基于uC/OS-Ⅱ的數字示波器系統設計［J］.自動化技術與用，2007，6:68-70.

［8］趙瑞林，盧慶林，張順星.教學型雙足步行機器人的結構及其控制電路設計［J］.計算技術與自動化，2014，33(2):73-76.

粟向軍(1964-)，男，漢族，湖南邵陽人，碩士，教授，湖南理工學院信息與通信工程學院，410006，主要從事通信仿真技術研究;

榮軍(1978-)，男，漢族，湖南岳陽人，碩士，講師，湖南理工學院信息與通信工程學院，410006，主要從事學生開關電源、電機控制以及學生考賽指導工作;rj1219@163.com。

Design and Implementation of a Simple and Program-Controlled Acoustic W ave Filter*

SU Xiangjun*，RONG Jun，CHEN Song，ZHANG Xiaolong

(Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang 414006，China)

The programmable filtering system is designed to accurately control acoustic signal based on a 10 Hz to 60 kHz，and the system uses STM32F103 single chip microcomputer as the control core，and uses precise operational amplifier NE5532 constitute a voltage follower buffer which improves the accuracy of filtering system.The programmable filter is designed with CMOS dual two-order general switched capacitor active filter MAX262，and can use microprocessor STM32F103 to precisely control the transfer function of the filter.Itmay form all kinds of filters for example band-pass，low-pass and high pass filterswithout the need for external components.The performance index of the system is relatively high，reliable，human computer interaction，and the user interface is very friendly.

programmable filter;digital control;power amplifier

C:1270

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.012

TM 46

:A

:1005－9490(2017)01－0061－05

項目來源:湖南省科技計劃項目(2014GK2006)

2016-01-27修改日期:2016-02-26