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濾波是信號處理、數據傳送和抑制干擾等領域必不可少甚至是至關重要的環節。最常用的濾波器是RC有源濾波器,它是由電阻、電容以及運算放大器構成，并通過模擬開關選取不同的R，C的值來改變濾波器的頻率特性。對于高階有源濾波器，由于所需模擬開關很多，電路復雜，分布參數較大，截止頻率精度不高。而采用頻率特性可變的程控開關電容濾波器，用程控方法對帶寬大的信號進行濾波的方法可以克服以上的缺點。由于MAXIM公司生產的開關電容程控濾波器性價比較高，且易于程控，本文在線性雷達料位儀測試系統中采用了MAX267帶通有源濾波器。 1 MAX267概述 MAX267內部含有2個獨立的二階開關電容帶通濾波器，它有12個可編程輸入端，其中5個用來設置濾波器中心頻率，另外7個用來設置濾波器的品質因數Q。因此，不需要外加任何元件，僅需要外部時鐘就可以實現帶通濾波功能，使用極為方便。MAX267采用24腳窄DIP封裝，各主要引腳功能如圖1所示。
2 自適應帶通濾波器的設計 雷達料位儀的微波單元反射信號和發射波信號在混頻器檢波電路中完成混頻，產生了一定的差頻信號，其中含有目標的距離信息，但也包含了許多干擾信號。為了濾除雜波，程控濾波電路由可編程開關電容帶通濾波芯片、真有效值轉換芯片、A／D轉換器及單片機實現，其原理框圖如圖2所示。 程控濾波電路由雙二階通用開關電容有源帶通濾波器MAX267、真有效值轉換芯片AD637、A／D轉換芯片ADC0809及單片機AT89C51實現，其電路原理圖如圖3所示。 2．1 濾波器電路 單片機AT89C51通過P1口(P1．0～P1．4)發送數據F0～F5到濾波器MAX267，通過32位的一維數組對F0～F5的32種中心頻率依次設定，濾波器輸出的信號通過AD637真有效值轉換得到直流電壓信號，再經過ADC0809轉換成單片機可讀取的數字信號，由P0口(P0．0～P0．7)讀取。單片機對該數據使用冒泡排序法儲存最大值，帶通濾波器的輸出波形最大值的中心頻率即是程控濾波器的最佳截止頻率。這是一個循環確定的過程。并且令MAX267的INb和BPa相連，從INa輸入，BPb輸出，cLKa和cLKb相連由有源1 MHz晶振輸入外部時鐘信號。這樣就構成了四階帶通濾波器。通過查表得知對Q0，Q1，Q2設置-5 V的低電平，對Q3，Q4，Q5，Q6設置+5 V的高電平，這樣的品質因素Q=8，此時的帶寬和增益均滿足設計需要。 2．2 比較器電路 因為MAX267以高于+0．5 V和低于-0．5 V為高低電平，所以通過串聯3 kΩ和1 kΩ電阻對UA741的2腳輸入約1．25 V的電壓，3腳和單片機的P1口(P1．4～P1．0)相連，形成比較器對濾波器進行控制，當單片機輸出高電平(+5 V)時比較器輸出+5 V電壓，當單片機輸出低電平(0 V)時比較器輸出-5 V電壓。 2．3 真有效值轉換電路 集成芯片AD637采用了標準真有效值電壓轉換接法。3腳，4腳接地，6腳和9腳相連，10腳接負電源，11腳接正電源，只有兩個外接元件，一個是接到輸入管腳的隔直電容C5為103，另一個是接在8腳和9腳間的濾波電容C6為10μF。把原先輸出端9腳接到芯片自帶緩沖放大器的輸入端1腳，由緩沖器輸出端14腳輸出可以提高輸出端帶負載的能力。 2．4 A／D轉換電路 ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A／D轉換器，CMOS工藝。由于只有一路模擬量輸入，所以通道選擇信號A、B、C全部接地從而選擇通道IN0。采集頻率由6 MHz經過單片機內部6分頻，再經過芯片14024二分頻得到的500 kHz。開始信號START和ALE信號相連接至P2．2，這樣在信號的前沿寫入(鎖存)通道地址，緊接著在其后沿就啟動轉換。轉換結束信號EOC接至P2．1，采用查詢方式等到其為高電平時才繼續向下執行程序。輸出使能信號OE控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據，OE=1時輸出轉換得到的數據。數據輸出8個口分別與單片機P0口的8個端口相連，得到的數據給中間變量vol儲存進行比較。 3 實驗結果 系統程序經調試后在實驗室進行實際測試，以輸入頻率6．2 kHz，0．1 V為例，運行程序自動搜尋的結果為：示波器觀察MAX267輸出波形如圖4所示，波形2為輸入波形，每格幅值為50 mV，波形1為輸出波形，每格幅值為2 V。橫坐標均為時間，每格為50μs。萬用表測量AD637輸出電壓為3．56 V。 Imax是單片機對濾波器最終控制字的輸入，也是輸出電壓值最大的濾波器控制字。Imax=0x13，查表得知0x13的N值為19，fclk／f0=160．22，外部時鐘使用的是1 MHz晶振，所以通過計算得知其中心頻率f0應為6．241 kHz，與預期相符。 多次改變輸入信號的頻率，其結果如表1所示。比較輸入信號和程序自動運行搜索到的最佳濾波器中心頻率，結果近似。所以可以確定該帶通濾波器濾波效果良好，滿足設計需求。 4 計算機流程圖 采用Keil C進行編程，軟件流程圖如圖5所示。 5 結 語 介紹了基于MAX267開關電容濾波器芯片，AD637真有效值轉換芯片，89C51單片機的程控濾波器。經測試表明該系統濾波效果良好，達到設計要求。 |
