基于可編程濾波器和微控制器的電路分析綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

王驍賢 張保華

摘要：電路分析是電氣信息及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)核心課程。本文提出一種基于可編程濾波器和微控制器的電路分析綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。上位機(jī)給微控制器發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)微控制器的GPIO端口和定時(shí)器對可編程濾波器進(jìn)行配置，可以得到不同類型、中心頻率以及帶寬的濾波器。該項(xiàng)目同時(shí)涉及模擬電路和數(shù)字電路的相關(guān)知識(shí)，能夠讓學(xué)生直觀理解信號(hào)頻率特性、綜合鍛煉學(xué)生的濾波器設(shè)計(jì)、微控制器編程等動(dòng)手實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：可編程濾波器;微控制器;電路分析課程;綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

一、 電路分析綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求

電路分析是電氣信息及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)核心課程，是后續(xù)電類課程的基礎(chǔ)。作為一門理論和實(shí)踐相結(jié)合的課程，電路分析實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生更深入地理解課程知識(shí)，同時(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)課程的前面部分一般安排基礎(chǔ)的相對獨(dú)立的電路實(shí)驗(yàn)，例如伏安特性實(shí)驗(yàn)、諧振電路頻率特性實(shí)驗(yàn)、模擬濾波器實(shí)驗(yàn)等。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于一個(gè)小的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，一般安排在實(shí)驗(yàn)課程的后面部分。

學(xué)生有了基本的電路知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)驗(yàn)之后，通過綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，能夠融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步提升動(dòng)手實(shí)踐能力。

二、 可編程濾波器和微控制器的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置

針對以上電路分析實(shí)驗(yàn)要求，本文提出一種基于可編程濾波器和微控制器的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過采用數(shù)字集成電路的方法可讓學(xué)生加深對信號(hào)頻率特性的理解，掌握信號(hào)通頻帶、品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)的物理意義。

（一） 可編程濾波器

可編程濾波器是一種能夠通過微控制器編程實(shí)現(xiàn)不同類型、中心頻率以及帶寬的濾波器，是一種有源濾波器。相比于傳統(tǒng)的由RLC基本元件構(gòu)成的無源濾波器，可編程濾波器具有元器件少、方便可調(diào)、容易控制等優(yōu)點(diǎn)。在本實(shí)驗(yàn)中選用Maxim公司的雙通道通用開關(guān)電容有源濾波器芯片Max261，其可實(shí)現(xiàn)64步可調(diào)的中心頻率控制、128步可調(diào)的品質(zhì)因子控制，中心頻率可達(dá)57kHz。

該濾波器可以配置為五種濾波器類型，即低通、高通、帶通、全通和帶阻。不同濾波器類型輸出由不同管腳控制。

在類型確定之后，濾波器的中心頻率和帶寬可以通過編程配置頻率比N和品質(zhì)因子Q實(shí)現(xiàn)。頻率比N=fCLK/f0，其中fCLK為輸入外部時(shí)鐘頻率，f0為濾波器中心頻率。品質(zhì)因子Q可以調(diào)節(jié)濾波器帶寬，例如對于帶通濾波器，其上下截止頻率fH和fL可由下式計(jì)算：

fH=f012Q+12Q2+1（1）

fL=f0-12Q+12Q2+1（2）

式中Q=f0/B為品質(zhì)因子，B=fH – fL為-3dB帶寬。采用微控制器對濾波器的頻率比N和品質(zhì)因子Q參數(shù)進(jìn)行配置，即可實(shí)現(xiàn)濾波器參數(shù)調(diào)節(jié)。

（二） 微控制器

本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，需要微控制器實(shí)現(xiàn)對濾波器指令發(fā)送和對上位機(jī)指令接收，微控制器選用的是意法半導(dǎo)體公司的32位、168MHz主頻的STM32F407。

實(shí)驗(yàn)中，需要用到STM 32的三種外設(shè)模塊，分別為普通輸入輸出端口（GPIO），定時(shí)器（Timer），和串口（USART）。其中7個(gè)GPIO連接Max261的WR、A0-A3、D0、D1共7個(gè)端口。WR為低電平有效的讀寫信號(hào);A1-A3為地址，指向兩個(gè)通道的濾波器的模式、頻率和品質(zhì)因子參數(shù);D0和D1是要讀寫的數(shù)據(jù)，通過移位的方式逐位推入Max261。Timer產(chǎn)生頻率可調(diào)的占空比為50%的PWM信號(hào)為濾波器提供時(shí)鐘信號(hào)。

（三） 上位機(jī)

為了方便在線更改濾波器參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)通過上位機(jī)串口給STM32發(fā)送指令。如果上位機(jī)有RS232的9針串口，則可以通過Max3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和STM32通信。

如果上位機(jī)沒有RS232串口，可以通過FT232芯片實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口和STM32通信。STM32通過串口中斷接收上位機(jī)指令，實(shí)時(shí)將指令譯碼通過子程序配置Max261。

三、 實(shí)驗(yàn)過程

本節(jié)通過一個(gè)f0=2kHz，-3dB上下截止頻率fH和fL分別為2250Hz和1750Hz的帶通濾波器的例子來進(jìn)一步介紹實(shí)驗(yàn)過程。

根據(jù)Max261的數(shù)據(jù)手冊，可以選用N=100.53的頻率比，計(jì)算出來的時(shí)鐘頻率為201.06kHz，該時(shí)鐘信號(hào)由STM32的Timer產(chǎn)生。由fH和fL可得帶寬B=500Hz，則Q=f0/B=4。將N和Q的值通過STM32的GPIO口配置給Max261即可獲得符合要求的濾波器。

隨后，為了直觀地顯示濾波器的濾波效果，利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)多頻正弦混合信號(hào)，即s（t）=sin（2πf1t） + sin（2πf2t） + sin（2πf3t），其中f1，f2，f3分別為1750Hz，2000Hz，2250Hz。將該信號(hào)輸入Max261的IN端口同時(shí)把

示波器的CH1表筆連接該端口，再把示波器的CH2表筆接到Max261的帶通濾波輸出（BP）端口，同時(shí)把示波器的頻譜分析功能打開，調(diào)整合適的頻率尺度范圍。

從CH1的頻譜上可以看到1750Hz，2000Hz，2250Hz三根高度一樣的譜線。s（t）經(jīng)過帶通濾波后，中心頻率2000Hz的譜線能量不變，其他頻率的譜線能量將被衰減。從CH2的頻譜上可見1750Hz和2250Hz的譜線高度明顯低于2000Hz的譜線高度，譜線高度降低至原來的0.707倍（-3dB），該結(jié)果說明帶通濾波器已經(jīng)被正確配置能夠正常工作。

進(jìn)一步地，可以通過上位機(jī)串口給STM32發(fā)送指令，改變?yōu)V波器中心頻率和帶寬以測試可編程濾波器性能。在時(shí)鐘頻率和品質(zhì)因子Q不變的情況下，增加頻率比N的值，中心頻率f0將降低，從CH2頻譜上將看到1750Hz譜線的高度逐漸增加、2000Hz和2250Hz譜線高度逐漸降低，該結(jié)果說明了帶通濾波器的中心頻率在降低。

將頻率比N調(diào)整回100.53并固定，即f0=2000Hz，提高Q值，將看到2000Hz的譜線高度不變，1750Hz和2250Hz的譜線高度逐漸降低，說明f0不變的情況下提高Q值，濾波器的帶寬將變窄。

學(xué)生可以通過上位機(jī)串口給STM32發(fā)指令改變?yōu)V波器的類型和其他參數(shù)，通過濾波器上的頻譜分析觀察濾波器的性能和輸出效果，并記錄濾波器的參數(shù)和輸入輸出信號(hào)頻譜的關(guān)系，做成定量分析的實(shí)驗(yàn)表格。

此外，Max261內(nèi)置兩個(gè)二階濾波器，如果單個(gè)濾波器不能滿足需求，例如需要設(shè)置特定的最大通帶紋波和最小阻帶衰減等。這時(shí)可以將兩個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)形成四階濾波器以滿足更高的設(shè)計(jì)要求。

四、 結(jié)論

本文提出了一種基于可編程濾波器和微控制器的電路分析綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生更直觀深入地理解濾波器和信號(hào)頻率分析中的帶寬、品質(zhì)因子等概念，提高對模擬電路和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)能力和編程實(shí)踐能力。

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作者簡介：

王驍賢，張保華，安徽省合肥市，安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院。