基于单片机可编程低通滤波器设计

第５期（总第８６期）

Ｎｏ．５（ＳＵＭ Ｎｏ．８６）

ＩＣＡＬ

机械管理开发 ＭＥＣＨＡＮＭＡＮＡＧＥＡＮＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＭＥＮＴ Ｄ

２００５年１０月 ０ｃｔ．２００５

基于单片机可编程低通滤波器设计 耿素军

吕玉祥

山西

（太原理工大学阳泉学院信息工程系 阳泉０４５０００１

【摘

要】

用单片机对仪用放大器和可编程滤波器芯片ＭＡｘ２６２进行程序控制，可以同时对两路输入信号进行二

阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，滤波器的中心频率在１５～５０ ｋＨｚ频率范围内可实现６４级程控调节，其Ｑ

值在０．５～６４范围内实现１２８级程控调节。并提出一种可编程控制放大低通滤波系统的方案。 【关键词】 单片机

开关电容

低通滤波

Ｂ 【中图分类号】 ＴＮ７１【文献标识码】 ３ 【文章编号】 １００３—７７３Ｘ（２００５）０５—００７８—０２

引

言

一

２单片集成开关电容滤波器 Ｍ）

生产的可编程滤波器芯片ＭＡＸ２６２可以通过编程对各

种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波 可以通过编程进行设置。这样就避免了传统的有源滤 波器电路需要有较大的电容和精确的ＲＣ时间常数而 且设计和调试都比较麻烦的难题。

在拾取传感器信号中，有两个问题需要解决：（１）传 随着ＭＯＳ工艺的迅速发展，由美信公司（ＭＡＸＩ感器信号的幅度小，一般只有仙Ｖ加Ｖ级。（２）拾取信号的 动态范围宽，有时会出现信号干扰源掩盖有用信号的情 况。为了提高测量精度，同时能够有效地抑制干扰信号， 常常需要高精度的测量放大电路和合适的滤波器。随着 片集成的开关电容滤波器的选择就成了首选。

ＭＯＳ工艺的迅速发展，可编程的增益可控的放大器和单 处理，而且滤波的特性参数如中心频率、品质因数等都

１程控仪用放大器ＰＧＡ２０２／２０３ （１）ＭＡＸ２６２的内部结构。ＭＡＸ２６２主要由放大器、

ＰＧＡ２０２／２０３是一个单片增益可控的双端积分器、电容切换网络（ＳＣＮ）和工作模式选择器组成。 输入仪 程

增益为×１、×１０、×１００、×１ ０００，ＰＧＡ２０３的编程增益为× 积分器、电容切换网络（ＳＣＮ）和工作模式选择器分别

用放大器。图１给出了其内部电路结构。ＰＧＡ２０２的编由编程数据Ｍ０一Ｍ１，Ｆ０一Ｆ５和Ｑ０～Ｑ６控制。ＭＡＸ２６２内

部有两个二级滤波器．滤波器Ａ和Ｂ可以单独使用，也 可以联成四阶滤波器使用。芯片的使用非常灵活，但它 们均受同一组编程数据的控制。

ＭＡＸ２６２芯片的工作频率为１～１４０ ｋＨｚ。当时钟频

１、×２、×４、和×８，两者都是Ｆ丌输入，并包含跨导电路， 在不同的增益时，带宽几乎一致。由于采用了激光修正 技术，因而增益失调无需用外接元件调整，使用方便。 该器件可广泛用于自动量程可控电路、数据采集系统 和远距离测量仪器当中。

０３组

放大器的放大倍数均由１、２脚的逻辑电平控制，其放大 ３的输

入阻抗非常高，因此在使用时需加偏置电流回路。

ＡＤＪＳ ６ 率为４ ＭＨｚ，工作模式选择为模式３时，芯片可以对１４ｋＨｚ的输入信号进行滤波处理。其它工作模式的最高 也可以采用外部时钟。外部时钟分别从芯片的引脚 要

在实际的使用中，通常采用ＰＧＡ２０２和ＰＧＡ２０

成的两级放大器．其放大倍数的范围为ｌ～８ ０００。两种 工作频率为１００ ｋＨｚ。滤波器Ａ和Ｂ可以采用内部时钟，倍数与逻辑电平的关系如表ｌ，由于ＰＧＡ２０２／２０ＣＬＫＡ、ＣＬＫＢ引入，对外部时钟无占空比要求。如果对更低频率的信号进行滤波处理，可采用ＭＡＸ２６０芯以直接送到ＭＡＸ２６０芯片的输入端（即ＩＮＡ或ＩＮＢ引 片，它的工作频率为０．０１～７．５ ｋＨｚ。输入的低频信号可９

表１ 放大器放大倍数与

１０

ＩＮ．～７

ＩＮ＋！ＡＯｌＩ

趱

２ｌ １１４ Ａｌ ＤＧＮＤ

—

堕ｏＵｌ ＢＡＡ０ Ｋ ０ １ １

脚），对应一个时钟频率尼腩的关系表 输入 信号与中

‰ ＰＧ的幅心频率而的比值．厶／．届。Ａ２０２ 度范ＰＧＡ２０３ 围为Ｑ值由编程数据Ｑ。～Ｑ，控Ｏ １ Ｏ 制，共 Ｖ～ｌ ＋５１２８个不同的二进逻辑电平Ｔ —ＲＥＦ

羔ＦＩｕＩ＇Ａ１ １０ Ｖ。 制数据，每个数据对应２ Ｍ０ １０一个ｐ值，最

Ａ０ ４ １ ｌ ００Ｘ０ ８ ２６２芯片有３个编程参数：中心频率而、９值和

工作模式。中心频率由编程数据加～巧控制，共６４个不 同的二进制数据，每个数据图１ ＰＧＡ２０２／２０３电路结构图

小的ｐ值为Ｏ．５，最大的９值为６４。工作模式由编程数据

作者简介：耿素军，男，１９７０年生，太原理工大学在读研究生，讲师。 ?７８?

万方数据

驵薷

第５期（总第８６期）

耿素军７等：基于单片机可编程低通滤波器设计

眠、肘。控制，分别对应工作模式１、２、３和４。模式１和模 式２可以实现低通、带通和带阻滤波，只是该模式可以 获得最高的ｐ值；模式３是唯一可以实现高通滤波的模 式：而只有模式４才能实现全通滤波，它和模式３也可以 ２

３单片机控制可编程低通滤波器的实现

ＰＧＡ２０２／２０３放大倍数ｌ、２脚和可编程滤波器ＭＡＸ２６２

３７３输出，实际使用中如遇到管脚不够的情况，可以外 接并行接口８２５５解决。

（２）软件实现。根据传感器采集到信号幅度的大 小，以确定仪表放大器的放大倍数，然后通过ＣＰＵ去控 制放大倍数的大小。根据中心频率和等效品质因数以 及模式分８次写入ＭＡＸ２６２内部寄存器。

（１）硬件参考电路（见图２）。控制仪表放大器 实现低通和带通滤波。在一些文献中给出了ＭＡＸ２６的地址、数据线分别由单片机的Ｐ１和Ｐ２口线经锁存器

芯片的氏／．届与编程数据Ｒ～凡以及编程数据Ｑｏ—Ｑ，与Ｑ 值的对应关系。

在系统实现时，可以采用查表的方法获得编程数 据，也可采用本文提供的计算方法来获得编程数据Ｒ～ 凡。编程参数内、ｐ值和工作模式确定以后，只要将相 应的编程数据装人ＭＡＸ２６２芯片内部的寄存器，滤波

器的类型和频率特性也就确定了。

（２）编程数据获得方法。ＭＡＸ２６２的地址Ａ。￣Ａ，与

数据Ｄｏ￣Ｄ，的关系见表２。表中每个滤波器的工作模式、 中心频率、ｐ值所需编程数据均需要分８次写入 ＭＡＸ２６２的内部寄存器才能完成设置。

表２ ＭＡＸ２６２地址与数据关系表 滤波器Ａ 滤波器Ｂ

数据 数据 Ｄ。

Ｄ。 地址 Ａ３ Ａ２ＡＩ Ａｏ 地址 Ａ３Ａ２Ａ１ Ａ ｏ 风 Ｄ１ Ｍｍ Ｍ１＾ ００００Ｏ０ ０ １１０ １ ０ １ ０ １ ０ ＭＯＢ ＭｌＢ １０００Ｏ１１１００ｌ１０Ｏ １０ ｌ ０ １ ０ １ ０ 册＾ 砣＾ Ｆ４＾ Ｆｌ＾ ０冈Ｂ 砣Ｂ

Ｆ４日

Ｆ１日

ｌ１１１１１乃＾

眄＾ Ｑｈ Ｑ３— Ｑ５— ００Ｏ０ ０乃Ｂ

巧Ｂ Ｑ１占 Ｑ３口 Ｑ５Ｂ 图２硬件参数电路图 ４结束语 本文采用单片机８９Ｃ５２来完成对仪用放大器和可 编程滤波器ＭＡＸ２６２的控制．很好地实现了有源滤波 器设计工作。而且这种程控滤波器具有使用灵活、调试 容易的特点，一片ＭＡＸ２６２就能完成对两路输入信号 进行二阶滤波的处理。

参考文献

【１】杨振江，等．智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用．西安电子

科技大学出版社。２００１．

Ｑ仉 口２一 Ｑ钆

１ Ｏｌ ０ １１ＱＯＢ Ｑ２口 Ｑ４Ｂ 工肫／二计算编程数据印Ｒ的公式为： 厶／矗＝４０．８４＋１．５７肌。 （１） 式中：肌为二进制数据Ｒ～尽对应的十进制整数，范围

为０～６３共６４级。同样，对应滤波器的９值也可以通过计

算来获得Ｑ值的编程数据Ｑ。～Ｑ，。Ｑ值与Ｑｏ～Ｑ，的关［２】沙占友，等．单片机外围电路设计．电子工业出版社，２００３． 系 为： Ｑ＝６４／（１２８一Ⅳ０或＾仁６４（２—１／Ｑ）。 式中：坼为二进数据Ｑ。一Ｑ。对应的十进制整数，范围为 Ｏ～１２７共１２８级。 （２） ［３】郑龙喜，等，可编程控制放大低通滤波系统．电子测量技术，２００２（２）．

［４］何立民．单片机应用技术选编．北京航空航天大学出版社，２００１（１０）．

（收稿日期：２００５一０５—１６）

ａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ＰｒｏｇｒａｍｍａｂＬｏｗ Ｐｏｆ ｌｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈ

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