基于MAX267的程控滤波器的实现

吕开亮 封维忠

摘 要:分析了双二阶开关电容有源带通滤波器MAX267的中心频率f0和品质因数Q,同时运用AD637真有效值转换,ADC0809模/数转换和单片机AT89C51对模拟信号进行处理。介绍了线性调频连续波(LFMCW)雷达系统中基于MAX267的程控滤波器的设计原理及流程,给出了具体电路及程序,并提供了在滤波频率从5~10 kHz自适应四阶带通滤波器的应用实例。

关键词:MAX267;程控滤波器;自动测试系统;单片机

中图分类号:TB559 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-047-03

Implementation of Digital Programmable Filter Based on MAX267

LV Kailiang,FENG Weizhong

(College of Information Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing,210037,China)

Abstract:The center frequency fo and quality factor Q of MAX267 CMOS active bandpass filter with dualsecond-order switched-capacitor is analyzed.At the same time,the chip microcomputer-based named AT89C51 process analog signals by using high precision wide-band RMS-to-DC converter of AD637 and A/D converter of ADC0809.In this paper,the design principle and process of digital programmable filter based on MAX267 in Linear Frequency Modulation Continuous Wave(LFMCW) radar system,and its circuits and program are introduced.Finally,the application example of fourth-order bandpass filter composed of MAX267 that adaptive frequency is 5~10 kHz in automatic detecting system is given.

Keywords:MAX267;digital programmable filter;automatic detecting system;single chip computer

滤波是信号处理、数据传送和抑制干扰等领域必不可少甚至是至关重要的环节。最常用的滤波器是RC有源滤波器,它是由电阻、电容以及运算放大器构成,并通过模拟开关选取不同的R,C的值来改变滤波器的频率特性。对于高阶有源滤波器,由于所需模拟开关很多,电路复杂,分布参数较大,截止频率精度不高。而采用频率特性可变的程控开关电容滤波器,用程控方法对带宽大的信号进行滤波的方法可以克服以上的缺点[1]。由于MAXIM公司生产的开关电容程控滤波器性价比较高,且易于程控,本文在线性雷达料位仪测试系统中采用了MAX267带通有源滤波器。

1 MAX267概述

MAX267[2]内部含有2个独立的二阶开关电容带通滤波器,它有12个可编程输入端,其中5个用来设置滤波器中心频率,另外7个用来设置滤波器的品质因数Q。因此,不需要外加任何元件,仅需要外部时钟就可以实现带通滤波功能,使用极为方便。

MAX267采用24脚窄DIP封装,各主要引脚功能如图1所示。

INa,INb(5,1)分别为两路带通滤波器的信号输入端;

BPa,BPb(2,24)分别为两路带通滤波器的信号输出端;

Q0~Q6(13,14,19,20,23,6,7)为品质因数设置输入端,分别接低电平或高电平,可以在0.5~64之间设置滤波器的品质因数;

F0~F4(22,15,21,10,9)为滤波器中心频率设置输入端,分别接低电平或高电平,可以将中心频率设置为时钟频率的1/197.92~1/100.53;

CLKa,CLKb(11,12)分别为两路带通滤波器的时钟输入端。

2 自适应带通滤波器的设计

雷达料位仪的微波单元反射信号和发射波信号在混频器检波电路中完成混频,产生了一定的差频信号,其中含有目标的距离信息,但也包含了许多干扰信号[3]。为了滤除杂波,程控滤波电路由可编程开关电容带通滤波芯片、真有效值转换芯片、A/D转换器及单片机实现,其原理框图如图2所示。

程控滤波电路[4-6]由双二阶通用开关电容有源带通滤波器MAX267、真有效值转换芯片AD637、A/D转

换芯片ADC0809及单片机AT89C51实现,其电路原理

图如图3所示。

2.1 滤波器电路

单片机AT89C51通过P1口(P1.0~P1.4)发送数据F0~F5到滤波器MAX267,通过32位的一维数组对F0~F5的32种中心频率依次设定,滤波器输出的信号通过AD637真有效值转换得到直流电压信号,再经过ADC0809转换成单片机可读取的数字信号,由P0口(P0.0~P0.7)读取。单片机对该数据使用冒泡排序法储存最大值,带通滤波器的输出波形最大值的中心频率即是程控滤波器的最佳截止频率。这是一个循环确定的过程。并且令MAX267的INb和BPa相连,从INa输入,BPb输出,CLKa和CLKb相连由有源1 MHz晶振输入外部时钟信号。这样就构成了四阶带通滤波器。通过查表得知对Q0,Q1,Q2设置-5 V的低电平,对Q3,Q4,Q5,Q6设置+5 V的高电平,这样的品质因素Q=8,此时的带宽和增益均满足设计需要[7,8]。

2.2 比较器电路

因为MAX267以高于+0.5 V和低于-0.5 V为高低电平,所以通过串联3 kΩ和1 kΩ电阻对UA741的2脚输入约1.25 V的电压,3脚和单片机的P1口(P1.4~P1.0)相连,形成比较器对滤波器进行控制,当单片机输出高电平(+5 V)时比较器输出+5 V电压,当单片机输出低电平(0 V)时比较器输出-5 V电压。

2.3 真有效值转换电路

集成芯片AD637[9,10]采用了标准真有效值电压转换接法。3脚,4脚接地,6脚和9脚相连,10脚接负电源,11脚接正电源,只有两个外接元件,一个是接到输入管脚的隔直电容C5为103,另一个是接在8脚和9脚间的滤波电容C6为10 μF。把原先输出端9脚接到芯片自带缓冲放大器的输入端1脚,由缓冲器输出端14脚输出可以提高输出端带负载的能力。

2.4 A/D转换电路

ADC0809[11]是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器,CMOS工艺。由于只有一路模拟量输入,所以通道选择信号A、B、C全部接地从而选择通道IN0。采集频率由6 MHz经过单片机内部6分频,再经过芯片14024二分频得到的500 kHz。开始信号START和ALE信号相连接至P2.2,这样在信号的前沿写入(锁存)通道地址,紧接着在其后沿就启动转换。转换结束信号EOC接至P2.1,采用查询方式等到其为高电平时才继续向下执行程序。输出使能信号OE控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据, OE=1时输出转换得到的数据。数据输出8个口分别与单片机P0口的8个端口相连,得到的数据给中间变量vol储存进行比较。

3 实验结果

系统程序经调试后在实验室进行实际测试,以输入频率6.2 kHz,0.1 V为例,运行程序自动搜寻的结果为:示波器观察MAX267输出波形如图4所示,波形2为输入波形,每格幅值为50 mV,波形1为输出波形,每格幅值为2 V。横坐标均为时间,每格为50 μs。万用表测量AD637输出电压为3.56 V。

I_max是单片机对滤波器最终控制字的输入,也是输出电压值最大的滤波器控制字。I_max=0x13,查表得知0x13的N值为19,f_clk/f0=160.22,外部时钟使用的是1 MHz晶振,所以通过计算得知其中心频率f0应为6.241 kHz,与预期相符。

多次改变输入信号的频率,其结果如表1所示。比较输入信号和程序自动运行搜索到的最佳滤波器中心频率,结果近似。所以可以确定该带通滤波器滤波效果良好,满足设计需求。

4 计算机流程图

采用Keil C进行编程,软件流程图如图5所示。

5 结 语

介绍了基于MAX267开关电容滤波器芯片,AD637真有效值转换芯片,89C51单片机的程控滤波器。经测试表明该系统滤波效果良好,达到设计要求。

参考文献

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[2]MAXIM Integrated Products.MAX263/ MAX264 /MAX267/ MAX268 Data Sheet[EB/OL].http://www.maxim-ic.com.cn/quick_view2.cfm/qv_pk/1186.2008.

[3]宋换荣.FMCW雷达料位仪信号处理系统的研究及应用[D].南京:南京林业大学,2007.

[4]倪向东.单片机控制的双路有源滤波器设计[J].电子技术应用,2002(1):16-18.

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[6]张飞岭.基于MAX262的可程控多频带通滤波器的设计[J].电子科技,2007(1):13-16.

[7]谢成详,邓志良,张健.基于MAX267的自适应带通滤波器的设计[J].电子工程师,2004,30(11):48-49.

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[10]罗清华.使用AD637的真有效值电压表[J].无线电,2002(1):47.

[11]马明建.数据采集与处理技术[M].2版.西安:西安交通大学出版社,2005.

作者简介 吕开亮 男,1983年出生,在读硕士研究生。研究方向为计算机测控技术。

封维忠 男,副教授,硕士生导师。研究方向为计算机测控技术。