測量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號中，往往包含有噪聲和許多與被測量無關(guān)的信號，并且原始的測量信號經(jīng)傳輸、放大、變換、運算及各種其他的處理過程，也會混入各種不同形式的噪聲，從而影響測量精度。這些噪聲一般隨機性強，很難從時域中直接分離，但限于其產(chǎn)生的機理，其噪聲功率是有限的，并按一定的規(guī)律分布于頻域某一特定的頻帶中。信號分離電路一般采用濾波器實現(xiàn)噪聲的抑制，提取所需的測量信號。但是系統(tǒng)中采用的濾波器的形式和截止頻率往往是固定的，很難做到可調(diào)，這就給系統(tǒng)的設計帶來一定的不便。然而，開關(guān)電容濾波器的使用可以很好地解決這一問題，但是開關(guān)電容濾波器的價格較高，會提高系統(tǒng)的設計成本，因此，這里提出了一種基于狀態(tài)變量濾波器的解決方案，本設計能夠大大降低制作成本，具有很高的應用前景。
1 系統(tǒng)設計方案
設計了一個濾波形式和截止頻率可以通過鍵盤設置的程控濾波器。濾波器輸入端采用同相放大電路進行阻抗匹配，使輸入電阻達到兆歐數(shù)量級。該系統(tǒng)主要由3個部分組成：人機交互模塊、雙二階環(huán)路濾波模塊、可變電阻模塊。
雙二階環(huán)濾波器電路的截止頻率與Q值由其中某些電阻、電容值決定，且兩參數(shù)相互獨立。R-2R梯形網(wǎng)絡、電流輸出型DAC可等效為阻值僅受輸入數(shù)據(jù)控制的電阻。通過由單片機控制的DAC作為等效電阻來控制濾波器的截止頻率和Q值，可實現(xiàn)濾波器參數(shù)精確程控，且濾波器參數(shù)調(diào)節(jié)的精度隨著DAC位數(shù)的增加而增大。該方案可由同一電路產(chǎn)生高通、低通、帶通、帶阻濾波器，節(jié)約了硬件資源，從而有效地降低設計成本。圖1為該系統(tǒng)設計框圖。
2 硬件電路設計
2．1 雙二階環(huán)路濾波器
本系統(tǒng)的核心部分為雙二階環(huán)路濾波器，雙二階環(huán)路濾波器利用兩個以上由加法器、積分器等組成的運算放大電路，根據(jù)所要求的傳遞函數(shù)，引入適當?shù)姆答仒?gòu)成濾波電路。其突出的特點是電路靈敏度低，因而特性穩(wěn)定，并可實現(xiàn)多種濾波功能，經(jīng)適當改進還可以減少運算放大器的數(shù)目。本系統(tǒng)采用了TI公司的四通道運放OPA404，設計了一個雙二階環(huán)濾波電路。OPA404是一款四路高速精密運算放大器，其帶寬可達6．4 MHz，電壓擺率可達35 V／s，可以實現(xiàn)本系統(tǒng)的設計要求，電路原理圖如圖2所示。
2．2 可變電阻
在電路分析中，定值電阻可以認為是一個單端網(wǎng)絡，給一個激勵電壓Un，它就可以輸出一個響應電流I0，而電阻的阻抗定義為R0=U0／I0。對于電流型的D／A轉(zhuǎn)換器也可以這樣認為，如果將D／A轉(zhuǎn)換器的參考電壓看做是激勵電壓輸入，那么輸出電流就可以看做是響應電流了。通過軟件設置D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的數(shù)字量，就可以起到改變響應電流的目的。
采用四通道電流輸出型串行D／A轉(zhuǎn)換器MAX514，MA514是倒T形R-2R電阻網(wǎng)絡D／A轉(zhuǎn)換器，則其輸出電壓公式為
2．3 濾波器參數(shù)分析
如圖2所示，四路運算放大器分別輸出高通、低通、帶通、帶阻。且R01=R02=R03=R04=10 kΩ，R05=R06=R07=10 kΩ，這決定了濾波器輸出的增益：KHP=1，RBP=-1，RLP=1，RBS=-l。設計中選取Cl=C2=180 pF，濾波器的截止頻率(或中心頻率)為：
因此截止頻率(或中心頻率)可設置的范圍為15．8 Hz～64．5 kHz。本系統(tǒng)設計的范圍頻率范圍為100 Hz～50 kHz，在一定截止頻率范圍內(nèi)，Q值的設定范圍為0．5～5。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件采用模塊化和層次化的設計思想。采用模塊化方法，即是對某一硬件模塊進行控制時，只需調(diào)用相應的控制模塊即可。模塊內(nèi)采用層次化設計，把底層的硬件接口處理編制為獨立底層子程序，并向上提供處理的數(shù)據(jù)，且對上層功能模塊屏蔽底層硬件接口部分。最后，主程序只需要調(diào)用相關(guān)的功能模塊就可以方便構(gòu)建系統(tǒng)。
本系統(tǒng)的軟件部分主要由單片機組成，其中主要包括系統(tǒng)的初始化、中斷的響應和中斷的處理。該設計的功能實現(xiàn)以鍵盤的按鍵中斷為主線，通過讀入用戶輸入的鍵值，在相應的中斷響應函數(shù)中以總線的方式與外部硬件電路進行數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)對濾波器截止頻率(中心頻率)以及Q值的設定。系統(tǒng)軟件流程見圖3。
4 系統(tǒng)測試
該系統(tǒng)利用數(shù)字合成信號源、雙蹤示波器、仿真機、交流電壓表進行了測試。調(diào)節(jié)輸入信號的頻率，并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值，將實際測量值和預置值進行對比和分析。
對于低通或者高通濾波器，預置其Q值(品質(zhì)因數(shù))為0．707。測試結(jié)果表明，濾波器截止頻率在100 Hz～50 kHz可調(diào)，實際測量的截止頻率與設置值誤差小于1％。在濾波器的阻帶內(nèi)，達到10倍頻程40 dB衰減的效果，通帶內(nèi)起伏小于0．5 dB。
對于帶通或者帶阻濾波器，預置其Q值為5，測試結(jié)果表明，濾波器中心頻率在600 Hz～7．2 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，實際測量的Q值與預置值誤差小于3％。
5 結(jié)論
設計了一種程控濾波器，這種方案的原理有別于開關(guān)電容濾波器，而是采用狀態(tài)變量濾波器和電流型D／A轉(zhuǎn)換器。就這種方案的本質(zhì)而言，利用了電流型D／A轉(zhuǎn)換器的倒T形R-2R電阻網(wǎng)絡改變狀態(tài)變量濾波器中用來決定截止頻率和Q值的電阻阻值，從而實現(xiàn)了濾波器的程控，濾波器截止頻率和Q值的分辨率隨電阻網(wǎng)絡的規(guī)模的增加而提高。在大規(guī)模集成電路的設計中，可以把狀態(tài)變量濾波器和倒T形R-2R電阻網(wǎng)絡集成到單個芯片中，這樣能夠大大減少設計成本，具有很好的應用前景。本文僅僅是提出了一個大致的設計思路，還有待在實際運用中進一步完善。