8通道模拟带通滤波器的设计与测试

李 煜，高天德

（西北工业大学 陕西 西安 710072）

在通信系统中，信号的频谱是由无限多的频率分量组成，这些分量包括各次谐波和混叠分量[1]，所以必须使用滤波技术加以抑制。因此，滤波器是非常重要的组成部分。随着电子通信技术的发展，设计连续时间滤波器的研究是现代国内外电路与系统学界研究的前沿课题，在各种通信和信号处理领域中有着很广泛的应用。文中介绍了一种8通道模拟带通滤波器。它可以实现8个通道信号同时输入输出，并且对模拟信号进行不同档位的放大与滤波[2]。并且输入信号动态范围大，300～500 kHz的通频带能满足超声信号的处理。

1 滤波器简介

1.1 带通滤波器工作原理

带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。实际上是由一个低通滤波器和高通滤波器级联组成的，带通滤波器的上限截止频率是低通滤波器的上限截止频率，带通滤波器的下限截止频率是高通滤波器的下限截止频率。

1.2 常用滤波器的比较

典型的模拟滤波器有巴特沃斯（Butterworth）滤波器、切比雪夫（Chebyshev）滤波器和椭圆（Ellipse）滤波器等。其中，巴特沃斯滤波器又叫最平坦响应滤波器，它的响应最为平坦[3]，其频率响应在通带和阻带中都是单调的，且在靠近零频处最平坦，而在趋向阻带时衰减单调增大，缺点是从通带到阻带的过渡带宽，对于带外干扰信号的衰减作用弱。切比雪夫滤波器又分为切比雪夫I型滤波器和切比雪夫II型滤波器。切比雪夫I型滤波器在整个通带内纹波最小，在阻带内随频率单调递增；切比雪夫II型滤波器在通带内随频率单调递增，在整个阻带内的纹波最小，它们的过渡带较巴特沃斯滤波器陡峭[4]。椭圆滤波器在通带和阻带内都是等纹波，但是对部件的要求较高。

2 系统设计

2.1 系统技术指标

1）功能要求

实现8个通道的模拟信号的输入输出，每个通道都有×1、×10、×100 3种增益档位。频带内响应平坦，频带外截止特性明显。具有输入过压保护，输出电流超限保护和抗电磁干扰能力。

2）关键技术指标

频带：300～500 kHz

通带纹波：0.01 dB

时域响应：＜100 μs

信号板供电电压：±15 V

芯片供电电压：±15 V、±5 V

信号输入电压（峰-峰值）：100 mV （×100 档位）、1 V（×10档位）、10 V（×1 档位）

信号输出电压（峰-峰值）：100 mV （×100 档位）、1 V（×10档位）、10 V（×1 档位）

2.2 系统硬件设计

1）系统结构

整个系统由3个模块组成，包括变压器、电源板、信号板。系统总体网络结构图如图1所示。其中变压器用来输出20 V交流电压，再通过电源板的整流滤波电路输出±15 V直流电压给信号板供电。

图1 系统总体网络结构图Fig.1 General network structure diagram of the system

2）信号前级放大设计

采用VCA810压控放大芯片，具有±40 dB的信号放大作用，它的增益特性曲线如图2所示。

在电路中加入分压电阻和可调电阻来控制芯片输入端电压即可实现信号不同放大倍数输出。此外，每一路中都加入了稳压基准以获取±5 V电压，为VCA810和增益通道选取提供工作电压。本设计中的信号增益是×1、×10、×100档位，即0 dB、20 dB、40 dB 3种放大倍数。档位选择电路采用多路复用芯片来实现，通过提供逻辑高低电平的组合00、01、10、11来控制3种档位通道的选通，另外一种组合为预留档位提供。其中一个通道的档位选择电路原理图如图3所示，S1A～S4A、S1B～S4B 为信号输入端，DA、DB、为输出端，A0、A1 为电平控制端。EN为使能端，高电平有效。

图2 VCA810增益特性曲线图Fig.2 The gain curve of VCA810

图3 档位选择电路原理图Fig.3 Schematic of gear selection circuit

3）信号后级滤波设计

通过上文中常用滤波器比较的叙述，本设计利用滤波器设计软件实现了切比雪夫I型的级联滤波结构[5]。如图4所示，实际上是一个4阶负反馈放大电路，根据300～500 kHz的带宽要求，通过中心频率计算公式得出中心频率为387 kHz。在电路设计中选取240 kΩ的输入电阻，在仿真过程中对其他阻容值同样选取标准值进行组合、调试，最终达到预期要求。

图4 滤波电路结构图Fig.4 The structure of filter circuit

3 系统测试

3.1 系统测试流程

系统实测流程图如图5所示，每个通道的测试过程可概述为：连接好电源、信号源、示波器、测试电路，确定电路连接没有错误后选取×1档位，开启信号源与示波器，给其中一个通道输入387 kHz，10Vp-p的正弦波，在示波器上观察此通道输出是否为10Vp-p的标准正弦波，如果符合标准，调整输入信号频率300～500 kHz测试频带内的波形平坦度，如果不符合，调整电路中的可调电阻来控制放大倍数，最终得出符合要求的输出波形。记录结束后换取×10、×100档位，选择对应的输入正弦波信号，其中×10对应 1Vp-p，×100对应100mVp-p，重复以上步骤，完成3个档位的测试。

图5 系统测试流程图Fig.5 The system testing flow chart

3.2 软硬件协同测试

本系统测试利用LabVIEW虚拟仪器软件编写了一套扫频测试程序，程序中主要包含虚信号源、示波器和频率响模块，通过循环结构、时钟控制、数值运算、赋值等步骤来完成信号的收发、存储和以及频率跳变，本测试系统的LabVIEW后面板简明线条图如6所示。

图6 系统测试程序图Fig.6 Program graph of the test system

在本程序中，利用NI的VISA插件，选用与实验室的信号源和示波器相符合的模拟信号源与模拟示波器，通过信号源与示波器的网口与电脑的usb接口连接，实现了信号的自动扫频测试，测试前面板及信号波形图如图7所示。其中，信号的起始频率，截止频率，频率跳变宽度，输入幅值都可以根据要求自行测试设定。

图7 测试面板与信号波形图Fig.7 Test panel and signal waveform figure

3.3 测试结果

中心频率下信号输入输出测试记录表如表1所示，其中输入输出电压均为峰峰值。

扫频测试[6]：在×1、×10、×100 的增益条件下，分别用信号源输出10 V、1 V、100 mV峰峰值电压，在每次测试中保持输入信号幅值不变，调整信号源频率，跳变步长为1 kHz，频率范围是300～500 kHz。测试结果如表2所示。

表1 中心频率下测试结果Tab.1 Test result of center frequency

表2 扫频测试记录表Tab.2 Frequency sweep test records

4 结束语

本文设计并实现了一个8通道模拟带通滤波器。针对系统的设计需求，利用 Altium Designer、Multisim、Filter Solutions等EDA软件，结合硬件电路搭建，芯片选型、焊接、最终调试成功。 此滤波器可满足 300～500 kHz，幅值为 100～10 V（峰峰值）信号平稳放大与滤波，放大范围为0～40 dB。此外，此装置电路结构清晰，布局工整，有较强的可移植性和可升级性。

[1]刘联会，李玉魁.高频电路及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.

[2]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，2006.

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LI Li.Design of band pass filter based on MAX267[J].Computer and Communication and Signal，2009，18（12）:42-44.

[4]阎毅，黄联芬.数字信号处理器[M].北京：北京大学出版社，2006.

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[6]姚福安，徐衍亮.高性能多阶有源带通滤波器设计[J].电子测量与仪器学报，2005，19（2）：20-25.

YAO Fu-an，XU Na-liang.Design of High performance highorderactive band-pass filter[J].JournalofElectronic Measurement and Instrument，2005，19（2）:20-25.