選用集成運(yùn)放構(gòu)成比例運(yùn)算電路，這里對(duì)運(yùn)放的增益帶寬積有一定的要求。根據(jù)增益帶寬積為常數(shù)的原理，可先確定單位增益帶寬，選擇出運(yùn)放。再根據(jù)增益的步進(jìn)值定出各個(gè)反饋電阻的值，利用模擬開關(guān)選通各個(gè)電阻，從而實(shí)現(xiàn)增益的步進(jìn)可調(diào)。
2.程控濾波器部分
采用集成芯片MAX264構(gòu)成濾波器。這種濾波器可通過選擇工作模式實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通三種濾波方式。其低通、高通截止頻率可通過編程設(shè)置，低通截止頻率可高達(dá)140kHz,但這種濾波器需要根據(jù)參數(shù)確定時(shí)鐘頻率，且傳輸函數(shù)較為煩瑣，可通過編軟件進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)。該集成器件有些引腳需要正負(fù)5伏供電，所以需要電平轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)軟件編程較為簡單，硬件不太復(fù)雜。
三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
四、理論分析與計(jì)算
1.放大器增益
放大器部分采用AD620、模擬開關(guān)和精密可調(diào)電阻構(gòu)成
根據(jù)公式： Rg=49.4K/(G-1)
即： G=49.4K/Rg+1
用單片機(jī)控制模擬開關(guān)的三個(gè)輸入端以控制所選擇的電阻從而達(dá)到 10db~60db增益可調(diào)的目的，且精度較高。
2.濾波器的截止頻率
MAX264 內(nèi)集成了設(shè)計(jì)濾波器所需的電阻電容，在應(yīng)用中幾乎不用外接器件，使用非常簡單，其中心頻率、Q值及工作模式都可以通過對(duì)引腳編程控制，它可以工作于帶通、低通、高通、帶阻或是全通模式,時(shí)鐘輸入(外接時(shí)鐘信號(hào)或晶振)和5比特編碼控制可以精確地設(shè)置中心頻率及Q值(0.5～64)。通過減小fclk/f比值，可使其通帶截止頻率達(dá)140kHz。
五、理論分析與計(jì)算
1.放大器增益
放大器部分采用AD620、模擬開關(guān)和精密可調(diào)電阻構(gòu)成。
根據(jù)公式： Rg=49.4K/(G-1)
即： G=49.4K/Rg+1
用單片機(jī)控制模擬開關(guān)的三個(gè)輸入端以控制所選擇的電阻從而達(dá)到 10dB~60dB增益可調(diào)的目的，且精度較高。
2.濾波器的截止頻率
MAX264 內(nèi)集成了設(shè)計(jì)濾波器所需的電阻電容，在應(yīng)用中幾乎不用外接器件，使用非常簡單，其中心頻率、Q值及工作模式都可以通過對(duì)引腳編程控制，它可以工作于帶通、低通、高通、帶阻或是全通模式,時(shí)鐘輸入(外接時(shí)鐘信號(hào)或晶振)和5比特編碼控制可以精確地設(shè)置中心頻率及Q值(0.5～64)。通過減小fclk/f比值，可使其通帶截止頻率達(dá)140kHz。
低通濾波模式下由MUX264資料給出：
由上述四個(gè)獨(dú)立變量fc、fclk、N、Q的關(guān)系式可知，只要fc、fclk、N、Q確定，則截止頻率fc即可確定，所以要滿足在1kHz~20kHz范圍內(nèi)可以步進(jìn)1kHz的要求，即可通過改變MAX264的輸入時(shí)鐘頻率fclk,編程設(shè)置Q端和F端來實(shí)現(xiàn)。但參數(shù)的不同選擇要影響到系統(tǒng)中硬件與軟件所占比例，其中fclk的變化要由時(shí)鐘頻率變換電路實(shí)現(xiàn), 用單片機(jī)控制N、F，同時(shí)還需要邏輯電平轉(zhuǎn)換電路。在參數(shù)的選擇中，盡量發(fā)揮軟件的靈活性，使硬件電路容易實(shí)現(xiàn)。依據(jù)公式，借助計(jì)算機(jī)計(jì)算得到滿足要求的各組理論解，我們選擇兩個(gè)時(shí)鐘輸入頻率提供給MAX264，再選擇N、F來實(shí)現(xiàn)截止頻率fc在1kHz~20kHz范圍內(nèi)步進(jìn)1kHz的要求，低通，高通參數(shù)選擇值列表（見表3、表4）。
3.f=2fc處總增益理論計(jì)算
經(jīng)查MAX264的使用說明，其內(nèi)部兩個(gè)獨(dú)立濾波電路都為二階，且在其通帶內(nèi)的濾波信號(hào)放大增益為0dB，故在放大器增益為40 dB時(shí)，f=2fc處總增益為：
低通濾波時(shí): G=40 dB -3 dB -40 (dB/dec)*(2/10)=29 dB
所以理論計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求。
高通濾波時(shí): G=40 dB -3 dB＋40 (dB/dec)*(－2/10)=29 dB
所以理論計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求。
六、單元電路及程序設(shè)計(jì)
1.放大器
本放大器采用集成運(yùn)放AD620 ，見圖2。
2.程控濾波器
MAX264可以不加外部元件或加少量外部元件就可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、陷波器, 該芯片的引腳分布見圖3。
利用MAXIM 公司生產(chǎn)的CMOS開關(guān)電容濾波器MAX264設(shè)計(jì)的鎖相跟蹤帶通濾波器, 電路簡單,工作可靠,具有很高的實(shí)用價(jià)值。MAX264內(nèi)部含有2 個(gè)獨(dú)立的二階開關(guān)電容帶通濾波器,它有12個(gè)可編程輸入端,其中5個(gè)用來設(shè)置濾波器中心頻率,另外7個(gè)用來設(shè)置濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q ,因此,不需要外加任何元件，僅需要外部時(shí)鐘就可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能，使用極為方便。對(duì)M0、M1兩個(gè)引腳編程可使芯片工作于模式1、2、3、4幾種方式。
模式1：當(dāng)實(shí)現(xiàn)全極點(diǎn)低通或帶通濾波器(如：切比雪夫、巴特沃斯濾波器)時(shí)這種模式是很有用的，有時(shí)該模式也用來實(shí)現(xiàn)帶阻濾波器，但由于相關(guān)零極點(diǎn)位置固定，使得用作帶阻時(shí)受到限制。
模式3：只有該模式下可實(shí)現(xiàn)高通濾波器，該模式下最高時(shí)鐘頻率低于模式1。
MAX264與單片機(jī)接口電路如圖4所示。
圖4 單片機(jī)接口電路
3.程序設(shè)計(jì)流程圖
程序流程如圖5所示。
七、測(cè)試方案與結(jié)果分析
1.測(cè)試條件
示波器：YUANLONG oscilloscope VD422M 40MHz.
函數(shù)信號(hào)發(fā)生器：SNING su3015 DDS 15MHz.
直流穩(wěn)壓電源：金盾 JWY—30G.
萬用表：VICTOR vc890c+.
2.測(cè)試方案
首先針對(duì)放大模塊，當(dāng)輸入低頻和高頻信號(hào)時(shí)測(cè)量放大后的電壓值和上下限截止頻率，計(jì)算放大器增益與通頻帶是否符合題目要求；然后將每一級(jí)放大后的信號(hào)送入濾波器，分別設(shè)置為低通和高通模式，在截止頻率1kHz～20kHz可調(diào)的范圍內(nèi)分別測(cè)試其總的電壓增益和實(shí)際截止頻率。
3.放大模塊測(cè)試
輸入電壓：10mv，當(dāng)輸入低頻信號(hào)，信號(hào)放大倍數(shù)AU與下限頻率Fl的關(guān)系測(cè)量值如表1：
當(dāng)輸入高頻信號(hào)，信號(hào)放大倍數(shù)AU與的上限頻率Fh關(guān)系測(cè)量值如下表：
4.濾波器模塊測(cè)試條件及結(jié)果
條件：用示波器觀察輸出信號(hào)波形不失真，輸出端接負(fù)載RL=1K。從示波器中得到各信號(hào)頻率值，用萬用表交流檔測(cè)量輸入信號(hào)頻率變化過程中幅值衰減情況，記錄各數(shù)據(jù)得到截止頻率。
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