专利名称：一种程控滤波装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于信号处理技术领域，特别涉及一种程控滤波装置。
背景技术：
目前，信号滤波多采用运算放大器搭建巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔等滤波器，或 是单独采用阻容元件搭建无源RC滤波器，或是用感性元件搭建无源椭圆滤波器，这些滤波 器都有着各种各样的弊端。采用运算放大器搭建的滤波器，其截止频率不是很准确，另外要 使滤波器达到较好衰减效果要多片运放的级联，这样无疑引入更多的噪声，与滤波器的初 衷相反；无源RC滤波器的通带特性不好，且衰减较小；无源椭圆滤波器虽然通带特性和阻 带衰减特性较好，但其截止频率不够准确，而且也很难将椭圆滤波器的截止频率做低。与上述传统滤波器相比，程控滤波器具有诸多的优点，其通带纹波小、相频响应线 性度很好、截止频率精确可调、阻带衰减量大，经程控滤波器处理后的信号信噪比高，做成 滤波器系统后可重复利用，免去了重复设计滤波器的麻烦。目前设计程控滤波器主要有两 种方法，第一种方法是通过修改滤波器的电阻值而达到对滤波器参数的控制，一般是通过 改变数模转换器输出的电流来改变滤波器的等效电阻值，该方法中等效电阻的精确程度由 数模转换器的精度决定，而高精度的数模转换器价格不菲，另外采用该法设计的滤波器的 截止频率是由数模转换器和电路中的其他阻容元件决定，而高精度的电容不易得到，因而 限制了滤波器的截止频率的精确度。另一种方法是采用集成现有的开关电容滤波器芯片来 实现滤波功能，但该类滤波器只能实现单一的滤波功能，即只能实现低通、高通、带通、带阻 等功能中的一种。并且，用上面两种方法设计的程控滤波器对幅值IOOmv以下的信号的滤 波效果都不甚理想。
发明内容针对上述存在的技术问题，本实用新型提供了一种能实现带通、带阻、高通、低通 四种滤波功能、可精确设置截止频率和放大增益、适用于幅值IOOmv以下的信号的程控滤 波装置。为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案一种程控滤波装置，包括信号调理与程控放大电路(1)、控制电路(2)、低通滤波 电路(3)、高通滤波电路(4)、功能选择开关(9、10)、键盘与显示电路(11)、电源电路，其中， 低通滤波电路(3 )由相互连接的低通滤波器(5 )和参数控制器(6 )组成，高通滤波电路(4 ) 由相互连接的高通滤波器(7)和参数控制器(8)组成，所述的低通滤波器(5)和高通滤波器均为开关电容滤波器；信号调理与程控放大电路(1)、低通滤波电路(3)、高通滤波电路 (4)、功能选择开关(9、10)、键盘和显示电路(11)分别与控制电路(2)相连接，信号调理与 程控放大电路(1)通过功能选择开关(9)与低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)的一端相 连，低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)的另一端均与另一功能选择开关(10)相连；电源 电路分别给信号调理与程控放大电路(1)、控制电路(2)、低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)、功能选择开关(9、10)、键盘与显示电路(11)提供电压。低通滤波电路(3)与高通滤波 电路(4)中的参数控制器(6、8)可用于调节低通滤波器和高通滤波器的截至频率、品质因 数(Q值)等参数。上述的信号调理与程控放大电路由射极跟随器、固定增益放大电路、增益微调放 大电路、增益粗调放大电路依次相连组成，增益微调放大电路通过数模(DA)转换电路与控 制电路相连接，增益粗调放大电路直接与控制电路相连接，以实现增益精度可调。上述的控制电路为MSP430F449型号单片机。与现有技术相比，本实用新型有以下的优点和有益效果1、本装置结构简单，使用方便，可以根据使用者的需求对滤波器的工作方式进行 设定，以实现带通、带阻、高通、低通四种滤波功能；2、本实用新型的装置可对需要滤波的信号进行前置的可控增益放大，亦可进行衰 减，增益范围_32dB-—55dB ；3、本实用新型装置能精确的设置截止频率和放大增益，截止频率设置误差 < 0.01%，放大增益设置误差 0 05%。
图1是本实用新型的电路框架图；图2是本实用新型中信号调理与程控放大电路的电路原理图；图3是本实用新型中高通滤波电路的电路原理图；图4是本实用新型中低通滤波电路的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。如图1所示，本实用新型的装置包括信号调理与程控放大电路(1)、控制电路(2)、 低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)、功能选择开关(9、10)、键盘与显示电路(11)、电源电 路；其中，低通滤波电路(3 )由低通滤波器(5 )和参数控制器(6 )组成，高通滤波电路(4 )由 高通滤波器(7 )和参数控制器(8 )组成，低通滤波电路(3 )和高通滤波电路(4)均为开关电 容滤波器。信号调理与程控放大电路(1)、低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)、功能选择 开关(9、10)、键盘和显示电路(11)分别与控制电路(2)相连接，信号调理与程控放大电路 (1)通过功能选择开关(9)与低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)的一端相连，低通滤波电 路(3)、高通滤波电路(4)的另一端均与另一功能选择开关(10)相连；电源电路分别给信号 调理与程控放大电路(1)、控制电路(2)、低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)、功能选择开 关(9、10)、键盘与显示电路(11)提供电压。需要说明的是电源电路可为外置电源，或是集成在控制电路中；键盘和显示电 路(11)构成人机接口界面，用户可以通过键盘设定系统参数，即截至频率、品质因数(Q值) 等，并将设定好的参数在显示屏上显示出来，控制电路(2)根据设定好的参数控制放大倍 数、选择通道、更改滤波电路参数，输入信号经过信号调理与程控放大电路(1)放大后通过 功能选择开关(9 )进入参数可调的低通滤波电路(3 )和高通滤波电路(4 )经过滤波处理，滤 波后的信号在控制电路(2)的控制下选择通道输出。[0020]本实用新型实施例中，控制电路(2)采用MSP430型号单片机。本实用新型实施例的信号调理与程控放大电路(1)由射极跟随器(la)、固定增益 放大电路(lb)、增益微调放大电路(lc)、增益粗调放大电路(Id)构成，其中，增益微调放大 电路(Ic)通过数模转换器与控制电路(2)相连，增益粗调放大电路(Id)直接与控制电路 (2)相连，其电路原理图见图2所示。控制电路(2)输出数字控制信号，经过数模转换器转 化成电压信号，从而改变增益微调放大电路(Ic)的放大倍数；控制电路(2)输出数字控制 信号给增益粗调放大电路(Id)直接控制增益粗调放大电路(Id)的放大倍数。上述信号调理与程控放大电路(1)的放大倍数为60dB且IdB步进可调，通带为 ΙΟΟΗζ-ΙΟΜΗζ。射极跟随器(la)采用典型运算放大器THS4031，固定增益放大电路(Ib)采 用THS4011，增益微调放大电路(Ic)采用压控放大器AD603，增益粗调放大电路(Id)采用 THS7001，数模转换器的核心器件采用TLV5616。射极跟随器(Ia)能对信号调理与程控放大 电路(1)的输入进行阻抗变换，达到有效抑制输入信号的共模噪声的目的。固定增益放大 电路(Ib)能对射极跟随器(Ia)的输出信号进行一定倍数的放大，初步提高信噪比。增益微 调放大电路(Ic)能对固定增益放大电路(Ib)的输出信号的放大倍数进行微调，保证增益 的准确性。增益粗调放大电路(Id)将信号的放大倍数分为几档对信号进行放大。增益微 调放大电路(lc)和增益粗调放大电路(Id)共同使得信号调理与程控放大电路(1)的放大 步进精确到ldB。低通滤波电路(3)由低通滤波器和参数控制器组成，其电路原理图见图3。本实施 例中低通滤波电路的可调滤波部分由MAX297组成，控制电路(2)经过参数控制器设置低通 滤波器的截止频率与品质因数，截止频率/b在IkHz IOOkHz范围内可调，调节的频率步 进为IkHz。高通滤波电路(4)由高通滤波器和参数控制器组成，其电路原理图见图4。本实施 例中高通滤波电路的可调滤波部分由LTC1068-200组成，控制电路(2)经过参数控制器设 置高通滤波器的截止频率与品质因数，截止频率/b在IkHz IOOkHz范围内可调，调节的 频率步进为IkHz。功能选择开关(9、10)由继电器组成，在控制电路(2)的控制下，继电器可以切换 开关的档位，从而使信号从选定的通道中输出。在本实用新型中可以将继电器视为一个程 控的单刀双掷开关，这样每个开关有两种状态，假设选择开关时开关状态为1，未选择开关 时开关状态为0，两个功能选择开关(9、10)可以组合出00、01、10、11四种模式1、00 模式在00模式下，信号调理与程控放大电路(1)的输出端与低通滤波电路(3)的输入 端直接连接，信号的最终输出端与低通滤波电路(3)的输出端相连，此时本装置呈低通滤波 的工作状态，由OUTl输出滤波信号；2,01 模式在01模式下，信号调理与程控放大电路(1)的输出端分别与低通滤波电路(3)和 高通滤波电路(4)的输入端连接，低通滤波电路(3)和高通滤波电路(4)的输出端相互连 接，且信号的最终输出端与低通滤波电路(3)和高通滤波电路(4)的公共输出端相连，此时 本装置呈带阻滤波的工作状态，由OUTl输出滤波信号；3、10 模式[0031]在10模式下，信号调理与程控放大电路(1)的输出端与高通滤波电路(4)的输入 端相连接，信号的最终输出端与高通滤波电路(4)输出相连接，此时本装置呈高通滤波的工 作状态，由OUTl输出滤波信号；4、11 模式在11模式下，信号调理与程控放大电路(1)的输出端与高通滤波电路(4)的输入 相连接，高通滤波电路(4)的输出端与低通滤波电路(3)的输入端相连接，信号的最终输出 端与低通滤波电路(3)输出相连接，此时本装置呈带通滤波个工作状态，由0UT2输出滤波信号。当装置启动后，控制电路(2 )开始对本装置的各个部分进行初始化，完成初始化后 本装置处在待机工作状态。此时可以对本装置进行预设定，通过键盘设定信号放大倍数、滤 波器工作状态、滤波器的截止频率和品质因数等参数。设置完成后可通过Enter按键确认， 确认后由控制电路(2)改变放大电路的增益，然后控制低通滤波电路(3)和高通滤波电路 (4)中的参数控制器(6、8)产生相应频率的时钟，然后进入相应的工作状态。本实用新型装 置的00模式、01模式、10模式和11模式四种模式分别对应低通滤波、带阻滤波、高通滤波、 带通滤波四种工作状态。本装置在低通滤波状态时，由控制电路(2)控制功能选择开关(9、10)使信号调理 与程控放大电路(1)输出端与低通滤波电路(3)输入端连接，低通滤波电路(3)输出端与 本装置的输出端相连，从而构成设定的低通滤波器。初始信号经信号调理与程控放大电路 (1)、低通滤波电路(3)，由OUTl输出滤波后的信号。本装置在带阻滤波状态时，由控制电路(2)控制功能选择开关(9、10)使信号调理 与程控放大电路(1)的输出端分别与低通滤波电路(3)和高通滤波电路(4)的输入端相连 接，低通滤波电路(3)和高通滤波电路(4)的输出端相互连接，本装置的输出端与低通滤波 电路和高通滤波电路的共同输出端相连接，从而构成设定的带阻滤波器。初始信号经信号 调理与程控放大电路(1)后，同时进入低通滤波电路(3)和高通滤波电路(4)，最后由OUTl 输出滤波后的信号。本装置在高通滤波状态时，由控制电路(2)控制功能选择开关(9、10)选择信号调 理与程控放大电路(1)输出端与高通滤波电路(4)输入端连接，高通滤波电路(4)输出端与 本装置的输出端连接，从而构成设定的高通滤波器。初始信号依次经信号调理与程控放大 电路(1)、高通滤波电路(3)，由OUTl输出滤波后的信号。本装置在带通滤波状态时，由控制电路(2)控制功能选择开关(9、10)使信号调理 与程控放大电路(1)输出端与低通滤波电路(3)输入端连接、低通滤波电路(3)的输出端与 高通滤波电路(4)输入端相连接，高通滤波电路(4)输出端与本装置输出端连接，从而构成 设定的带通滤波器。初始信号依次经信号调理与程控放大电路(1)、高通滤波电路(3)、低 通滤波电路(4)，由0UT2输出滤波后的信号。
权利要求1.一种程控滤波装置，其特征在于，包括信号调理与程控放大电路(1)、控制电路(2)、低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)、功 能选择开关(9、10)、键盘与显示电路(11)、电源电路，其中，低通滤波电路(3)由相互连接 的低通滤波器(5 )和参数控制器(6 )组成，高通滤波电路(4 )由相互连接的高通滤波器(7 ) 和参数控制器(8)组成，所述的低通滤波器(5)和高通滤波器(7)均为开关电容滤波器；信号调理与程控放大电路(1)、低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)、功能选择开关 (9、10)、键盘和显示电路(11)分别与控制电路(2)相连接，信号调理与程控放大电路(1) 通过功能选择开关(9)与低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)的一端相连，低通滤波电路 (3)、高通滤波电路(4)的另一端均与另一功能选择开关(10)相连；电源电路分别给信号调 理与程控放大电路(1)、控制电路(2)、低通滤波电路(3)、高通滤波电路(4)、功能选择开关 (9、10)、键盘与显示电路(11)提供电压。
2.根据权利要求1所述的程控滤波装置，其特征在于所述的信号调理与程控放大电路由射极跟随器、固定增益放大电路、增益微调放大电 路、增益粗调放大电路依次相连组成；所述的增益微调放大电路通过数模转换器与所述的 控制电路相连接；所述的增益粗调放大电路直接与所述的控制电路相连接。
3.根据权利要求1所述的程控滤波装置，其特征在于所述的控制电路为MSP430F449型号单片机。专利摘要本实用新型提供了一种程控滤波装置，包括信号调理与程控放大电路、控制电路、低通滤波电路、高通滤波电路、功能选择开关、键盘与显示电路、电源电路，低通滤波电路由相互连接的低通滤波器和参数控制器组成，高通滤波电路由相互连接的高通滤波器和参数控制器组成；信号调理与程控放大电路、功能选择开关、键盘和显示电路分别与控制电路相连；信号调理与程控放大电路通过功能选择开关与低通滤波电路、高通滤波电路的一端相连，低通滤波电路、高通滤波电路的另一端与另一功能选择开关相连；电源电路给所有电路供电。该装置可实现带通、带阻、高通、低通四种滤波功能，并能精确的设置截止频率和放大增益。
文档编号H03H17/00GK201887730SQ20102068532
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者丁彬, 吴晓潭, 张雪滨, 毛瑞雪, 秦祺珍, 陈小桥, 黄恩民 申请人:武汉大学