基于STM32的多功能濾波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程 輝，王 勤

(成都大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

濾波器是很多電子電路中必不可少的組成部分，其作用是允許特定頻段信號(hào)通過(guò)且將其余頻段信號(hào)加以抑制或使其急劇衰減，廣泛應(yīng)用于信息處理、數(shù)據(jù)傳輸及抑制干擾等方面[1-2].由于傳統(tǒng)濾波器在設(shè)計(jì)完成后的中心頻率及電壓增益等參數(shù)不能改變，傳統(tǒng)濾波器只能處理一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，若處理此頻率范圍外的信號(hào)，則需要額外增加濾波電路，這將使電路變得復(fù)雜，且增加了電路的不確定性和成本.又因?yàn)閭鹘y(tǒng)濾波器電壓增益較低不可調(diào)，對(duì)弱信號(hào)響應(yīng)較差，所以使用范圍受到較大的限制.近年來(lái)，研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了各種功能的濾波器[3-6]，但多數(shù)濾波器存在精度不高、通用性差、功能較少且性價(jià)比低等問(wèn)題.對(duì)此，本研究根據(jù)開(kāi)關(guān)電容技術(shù)設(shè)計(jì)了一種多功能濾波器.該種濾波器由STM32整體控制，具有較高的電壓增益且增益步進(jìn)可調(diào)，并可設(shè)置低通、高通、帶通及陷波等多種濾波功能，且截止頻率、中心頻率及陷波頻率等均步進(jìn)可調(diào)，滿足了較寬頻率信號(hào)范圍內(nèi)對(duì)弱信號(hào)的多種濾波需求.本研究設(shè)計(jì)的多功能濾波器系統(tǒng)整體誤差較小，可應(yīng)用于多種濾波電路中.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本濾波器系統(tǒng)主要由鍵盤(pán)顯示模塊、控制模塊、放大模塊與濾波模塊等組成，如圖1所示.鍵盤(pán)顯示模塊為人機(jī)交互部分.根據(jù)需求，設(shè)置放大模塊對(duì)各輸入信號(hào)的電壓增益與濾波模塊中各濾波參數(shù).在控制模塊作用下，放大模塊產(chǎn)生對(duì)應(yīng)增益，濾波模塊則產(chǎn)生相應(yīng)的濾波功能.輸入信號(hào)經(jīng)放大模塊放大后得到所需幅度的信號(hào)，再經(jīng)濾波模塊處理后獲得最終輸出信號(hào).系統(tǒng)整個(gè)工作過(guò)程中，均可隨時(shí)根據(jù)需求調(diào)整放大增益、濾波器類(lèi)型及參數(shù).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

本研究使用STM32F103VE作為控制模塊的核心來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行.STM32F103VE是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的32-bit高性能微控制器，采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz，可完成單周期乘法和硬件除法，具有較快的運(yùn)算速度、較強(qiáng)的處理能力及較低的功耗，廣泛滿足工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)的各種應(yīng)用需求[7-9].

2.2 放大模塊

放大模塊由放大器AD8429和數(shù)字電位器AD5272組成.AD8429是ADI公司生產(chǎn)的高速儀表放大器，其最高帶寬可達(dá)15 MHz，只需一個(gè)外部電阻便可將增益設(shè)置為1～10 000，具有低功耗、極低噪聲、超低偏置電流及寬電源電壓的特性，廣泛適用于信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場(chǎng)合[10].AD5272是ADI公司生產(chǎn)的單通道數(shù)字電位器，具有低電阻容差誤差及低溫度系數(shù)特性，可應(yīng)用于運(yùn)算放大器可變?cè)鲆婵刂?、可編程電源及傳感器校?zhǔn)等領(lǐng)域[11].

本研究中，放大模塊由3級(jí)結(jié)構(gòu)與功能均相同的放大電路組成.每級(jí)放大電路包括1片AD8429和1片AD5272，可實(shí)現(xiàn)0～20 dB電壓增益.整體可實(shí)現(xiàn)0～60 dB增益，以1 dB為步進(jìn)調(diào)節(jié).放大模塊電路如圖2所示.

圖2 放大模塊電路圖

對(duì)于每級(jí)放大電路，AD8429均采用+15 V單電源供電，1腳負(fù)極輸入端V-IN和6腳參考電壓輸入端VREF采取接地處理.輸入與輸出之間的關(guān)系如式(1)所示.

VOUT=G×V+IN

(1)

式(1)中，G為電壓增益.同時(shí)，為減少高頻干擾及有效濾除高頻干擾信號(hào)，AD8429輸入端增加低通R-C濾波網(wǎng)絡(luò).圖2第1級(jí)放大電路中，R1、R2、C2、C3與C4即為R-C濾波網(wǎng)絡(luò).

AD8429的2腳和3腳之間需接1個(gè)電阻作為增益調(diào)節(jié)電阻，改變其電阻值RG便可改變電壓增益.增益值G與增益調(diào)節(jié)電阻值RG的關(guān)系如式(2)所示.

G=20lg((6/RG)+1)

(2)

式中，RG的單位為kΩ.當(dāng)所接增益調(diào)節(jié)電阻引腳斷開(kāi)時(shí)，增益值G=0，即信號(hào)無(wú)放大.

為減小增益誤差與增益漂移，增益調(diào)節(jié)電阻需選用高精度且低溫度系數(shù)的電阻，同時(shí)需避免產(chǎn)生與增益調(diào)節(jié)電阻串聯(lián)的高寄生電阻.AD5272輸出電阻容差誤差最低為±1%，在可變電阻器模式下溫度系數(shù)達(dá)到5 ppm/℃，滿足對(duì)增益調(diào)節(jié)電阻的要求.

AD5272游標(biāo)W端和A端之間的電阻為標(biāo)稱(chēng)電阻，其電阻值RWA可設(shè)置為20 kΩ、50 kΩ和100 kΩ，并具有1 024個(gè)可供W端訪問(wèn)的觸點(diǎn)，設(shè)置內(nèi)部RDAC寄存器中的數(shù)值為1 024個(gè)游標(biāo)位置，從而輸出1 024個(gè)電阻.當(dāng)將RWA設(shè)置為50 kΩ時(shí)，帶寬可達(dá)120 kHz，此時(shí)AD5272的W端和A端之間數(shù)字編程輸出電阻如式(3)所示.

RWA(D)=(D/1024)×50

(3)

式中，D為RDAC寄存器中數(shù)值，其范圍為0～1 023之間的整數(shù)，確定D值便可得到AD5272輸出電阻RWA(D)，即AD8429實(shí)際增益調(diào)節(jié)電阻值.由式(3)可知，輸出電阻RWA(D)最小值為48.8 Ω.當(dāng)改變RDAC寄存器的數(shù)值，輸出電阻RWA(D)將從最小48.8 Ω改變，因此，AD5272實(shí)際輸出值與式(2)得到的理論RG值存在一定偏差，故實(shí)際增益值存在一定誤差.由式(2)、式(3)可得到理論增益值與AD5272實(shí)際輸出值的關(guān)系如表1所示.

表1 理論增益值與AD5272輸出電阻關(guān)系表

系統(tǒng)工作時(shí)，鍵盤(pán)顯示模塊先設(shè)定增益值.控制模塊STM32F103VE根據(jù)設(shè)定的增益值，控制每級(jí)AD5272輸出相應(yīng)電阻值.輸入信號(hào)由第1級(jí)放大電路AD8429的4腳輸入，經(jīng)第2、3級(jí)放大電路放大后，從第3級(jí)放大電路AD8429的7腳輸出.

2.3 濾波模塊

濾波模塊由有源濾波器MAX262和模擬開(kāi)關(guān)ADG704、ADG849構(gòu)成，用于將前級(jí)放大電路輸出信號(hào)經(jīng)濾波后輸出.MAX262是雙二階通用開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，其內(nèi)部含有2個(gè)相同的二階濾波單元.每個(gè)濾波單元通過(guò)編程來(lái)設(shè)置中心頻率或截止頻率、品質(zhì)因數(shù)和工作方式，可構(gòu)成低通、高通、帶通及陷波等多種濾波器，其中，2個(gè)濾波單元可單獨(dú)作為2個(gè)二階濾波器使用，也可將其級(jí)聯(lián)成1個(gè)四階濾波器使用[12-14].ADG704是單通道4選1模擬開(kāi)關(guān)，其導(dǎo)通電阻僅為2.5 Ω，具有低功耗、高開(kāi)關(guān)速度及低導(dǎo)通電阻的特性.ADG849為單通道2選1模擬開(kāi)關(guān)，其導(dǎo)通電阻僅為0.5 Ω，可承載高達(dá)600 mA電流，具有超低導(dǎo)通電阻、極低開(kāi)關(guān)失真及高載流能力的特性.

有源濾波器MAX262中，2個(gè)二階濾波單元均有4種工作方式，且對(duì)應(yīng)5種不同濾波功能，使用時(shí)要用到中心頻率或截止頻率f0、外部時(shí)鐘頻率fclk、Q值和工作方式等4個(gè)參數(shù).對(duì)于方式1、3和4，f0和fclk的關(guān)系如式(4)所示.

fclk/f0=40.84+1.57NF

(4)

式中，NF為頻率控制字，由MAX262內(nèi)部程序存儲(chǔ)單元中F5～F0此6位二進(jìn)制碼組成，共可構(gòu)成0～63之間的64個(gè)十進(jìn)制整數(shù)，故f0可通過(guò)固定NF并調(diào)節(jié)fclk靈活變化.根據(jù)需求確定f0后，由式(4)即可得到fclk值.

在方式1、3和4下，濾波器的Q值由式(5)求得.

Q=64/(128-NQ)

(5)

式中，NQ為品質(zhì)因數(shù)控制字，由MAX262內(nèi)部程序存儲(chǔ)單元中Q6～Q0此7位二進(jìn)制碼確定，可實(shí)現(xiàn)128種品質(zhì)因數(shù).根據(jù)需求確定Q值后，由式(5)得到NQ值.

當(dāng)工作方式、NF、fclk、NQ確定后，STM32F103VE便可將相應(yīng)參數(shù)輸入到MAX262，從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)功能的濾波器.

濾波模塊電路如圖3所示.數(shù)據(jù)在STM32F103VE控制下經(jīng)74HC374鎖存器后輸入到MAX262，可消除邏輯輸入躍變導(dǎo)致的濾波器輸出噪聲干擾.MAX262中CLKA與CLKB為fclk時(shí)鐘輸入端，分別為濾波器A和濾波器B提供時(shí)鐘信號(hào)fclkA與fclkB，控制開(kāi)關(guān)電容濾波器的采樣率.A3、A2、A1、A0為地址輸入端，通過(guò)輸入不同的地址數(shù)據(jù)來(lái)選定濾波器方式、頻率控制字NF及品質(zhì)因數(shù)控制字NQ等設(shè)置的存儲(chǔ)單元.D1、D0為數(shù)據(jù)輸入端，當(dāng)相應(yīng)存儲(chǔ)單元被選定后，在D1、D0端輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而確定濾波器工作方式、f0及Q值.由圖3可知，2片ADG704與1片ADG849用于選擇輸出濾波信號(hào)類(lèi)型與濾波器階數(shù)，并在下方ADG704的D端口輸出最終濾波后的信號(hào).

圖3 濾波模塊電路圖

系統(tǒng)工作時(shí)，鍵盤(pán)顯示模塊設(shè)定濾波器類(lèi)型、階數(shù)、f0及Q值等參數(shù)，控制模塊中STM32F103VE將參數(shù)寫(xiě)入MAX262內(nèi)部存儲(chǔ)單元，設(shè)定濾波器參數(shù)，通過(guò)控制CLKA、CLKB端輸入fclk頻率及ADG704、ADG849的通斷，在輸出端可分別得到所需低通、高通、帶通及陷波濾波后的信號(hào).

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示.系統(tǒng)初始化后，首先進(jìn)入增益設(shè)置，根據(jù)顯示提示，使用鍵盤(pán)設(shè)置輸入信號(hào)增益值.控制模塊根據(jù)該增益值控制放大模塊產(chǎn)生相應(yīng)增益.增益設(shè)置完成后，進(jìn)入濾波設(shè)置部分，依次設(shè)置濾波器類(lèi)型、階數(shù)、f0及Q值等參數(shù).控制模塊根據(jù)設(shè)置控制濾波模塊生成相應(yīng)功能的濾波器.最后，通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)通斷輸出濾波后的信號(hào).

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 放大模塊軟件設(shè)計(jì)

因系統(tǒng)放大增益為0～60 dB，故3級(jí)放大電路中每級(jí)放大增益范圍均為0～20 dB.放大模塊軟件流程圖如圖5所示.在鍵盤(pán)顯示模塊設(shè)置增益G值后，若0 dB

圖5 放大模塊軟件流程圖

若20 dB

若40 dB

若設(shè)置增益值G>60，則顯示增益超出范圍，此時(shí)需要重新輸入增益進(jìn)行測(cè)試.

3.2 濾波模塊軟件設(shè)計(jì)

濾波模塊要實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通及陷波等濾波功能，其軟件流程圖如圖6所示.在鍵盤(pán)顯示模塊分別設(shè)置濾波器類(lèi)型、階數(shù)、f0A、QA、f0B、QB等參數(shù).若濾波器類(lèi)型設(shè)置為陷波濾波器時(shí)，其階數(shù)固定為二階，則只需輸入陷波頻率fN與Q.

圖6 濾波模塊軟件流程圖

當(dāng)濾波器類(lèi)型設(shè)置為低通、高通或帶通濾波器時(shí)，則在MAX262內(nèi)部具有相同的配置方式.如果設(shè)置為二階濾波，則MAX262只有濾波器A工作，需先將濾波器A設(shè)置為方式3，此時(shí)STM32F103VE先后由PB0～PB3輸出0000、PB4～PB5輸出10，便可將MAX262的濾波器A設(shè)置為方式3.完成方式的設(shè)置后，需進(jìn)一步設(shè)置fclkA、NFA、NQA等.時(shí)鐘fclkA由STM32F103VE的定時(shí)器T3產(chǎn)生，由于在方式3下fclk、f0可取最大值分別為4 MHz、100 kHz，為使f0在可調(diào)節(jié)范圍盡可能較大且最終濾波輸出誤差較小，使NFA為25，則由式(4)可知，當(dāng)fclkA為最大值4 MHz時(shí)，f0A可取到最大值50 kHz.當(dāng)NFA確定后，由設(shè)置f0A值便可得到fclkA，改變T3設(shè)定值即可實(shí)現(xiàn)f0A在1 Hz～50 kHz內(nèi)變化.設(shè)置NFA時(shí)，只需由STM32F103VE的PB0～PB5將MAX262內(nèi)部F5A～F0A單元設(shè)置為011001.設(shè)置NQA時(shí)，根據(jù)輸入QA值，由式(5)可得到NQA，由PB0～PB5腳將MAX262內(nèi)部Q6A～Q0A單元設(shè)置為NQA所對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)值.當(dāng)MAX262內(nèi)部配置完成后，STM32F103VE通過(guò)PC6～PC0控制ADG704與ADG849的通斷，即可實(shí)現(xiàn)二階輸出低通、高通或帶通濾波后的信號(hào).此時(shí)，當(dāng)PC6～PC0分別輸出1001110、1001101、1001111時(shí)，便可得到二階低通、高通、帶通濾波后的信號(hào).

如果設(shè)置為四階濾波，需同時(shí)配置濾波器A、B.濾波器B工作方式、fclkB、NFB、NQB與濾波器A配置方法相同，其中，工作方式配置為方式3，fclkB由STM32F103VE的定時(shí)器T8產(chǎn)生，NFB通過(guò)將F5B～F0B設(shè)置為011001來(lái)實(shí)現(xiàn)，NQB通過(guò)將相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)設(shè)置到Q6B～Q0B來(lái)實(shí)現(xiàn).配置完成后，STM32F103VE的PC6～PC0分別輸出1100110、1100101、1110111，即可得到四階低通、高通、帶通濾波后的信號(hào).

當(dāng)設(shè)置為陷波濾波器時(shí)，由于只有二階，故只需設(shè)置濾波器A，其中工作方式需配置為方式1，此時(shí)STM32F103VE先后由PB0～PB3輸出0000、PB4～PB5輸出00，便能將濾波器A設(shè)置為方式1.參數(shù)fclk、NF、NQ配置方法與二階低通濾波器的fclkA、NFA、NQA相同，其中fN最大值為50 kHz.配置完成后，STM32F103VE通過(guò)PC6～PC0輸出1001101控制ADG704與ADG849的通斷，便得到二階陷波濾波后的信號(hào).

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 放大功能測(cè)試

為了測(cè)試放大模塊增益，在放大模塊輸入端接電壓、頻率分別為10 mV、20 kHz的正弦信號(hào).鍵盤(pán)顯示模塊在設(shè)置增益值時(shí)為突出增益特性，在0～20 dB內(nèi)以1 dB步進(jìn)，在20～40 dB內(nèi)以3 dB步進(jìn)，在40～60 dB內(nèi)以5 dB步進(jìn)，共設(shè)置31組數(shù)據(jù).在放大模塊輸出端接數(shù)字示波器，觀察放大后的信號(hào)，最終得到設(shè)置增益、實(shí)際增益、增益誤差數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 放大功能測(cè)試數(shù)據(jù)表

從表2可知，1～6 dB內(nèi)增益誤差小于1%且無(wú)較大變化;7 dB處誤差有較大幅度增加；8～10 dB、11～20 dB內(nèi)誤差均有明顯增加；當(dāng)增益大于20 dB后，除個(gè)別增益點(diǎn)外，誤差在2.5%左右浮動(dòng)，整體放大模塊誤差小于3%，輸出信號(hào)無(wú)明顯失真.產(chǎn)生上述誤差的主要原因是AD5272輸出電阻不是線性連續(xù)變化且電阻容差不同.由于AD5272為數(shù)字電位器，內(nèi)部RDAC寄存器中控制輸出電阻數(shù)值的代碼范圍為0x000～0x3FF，又因其最小輸出電阻為48.8 Ω，故改變RDAC寄存器中代碼會(huì)引起輸出電阻非連續(xù)變化，從而產(chǎn)生誤差.當(dāng)激活1%電阻容差性能之后，RDAC寄存器中只有代碼為0x078～0x3FF范圍內(nèi)輸出的電阻誤差才為1%，對(duì)應(yīng)表2中1～6 dB增益；代碼為0x055～0x077、0x032～0x054范圍內(nèi)輸出的電阻誤差分別為2%、3%，分別對(duì)應(yīng)7 dB、8～10 dB增益；其他代碼輸出的電阻誤差大于3%，對(duì)應(yīng)11～20 dB增益.

4.2 濾波功能測(cè)試

本研究在進(jìn)行濾波功能測(cè)試時(shí)輸入了不同頻率信號(hào)，以分別測(cè)試各種濾波功能.測(cè)試低通、高通或帶通濾波功能時(shí)，使用信號(hào)發(fā)生器在系統(tǒng)輸入端輸入幅度為10 mV、頻率在1～50 kHz范圍內(nèi)且以5 kHz為步進(jìn)增加的正弦信號(hào)，并在輸出端接數(shù)字示波器.使用鍵盤(pán)顯示模塊將系統(tǒng)增益設(shè)置為40 dB，濾波部分設(shè)置為四階低通、高通或帶通濾波，使f0為輸入信號(hào)頻率，Q值為1，分別計(jì)算并設(shè)置f0A、f0B、QA、QB.對(duì)于低通或高通濾波，輸出信號(hào)電壓在-3 dB處時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)頻率即為截止頻率.對(duì)于帶通濾波，輸出信號(hào)電壓在最大值處時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)頻率即為中心頻率.測(cè)試陷波濾波功能時(shí)，輸入信號(hào)與放大器增益不變，濾波部分設(shè)置為陷波濾波，將fN設(shè)置為輸入信號(hào)頻率，Q值為1.當(dāng)輸出電壓在最小值處時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)頻率即為陷波頻率.各濾波輸出信號(hào)在10 kΩ負(fù)載上測(cè)試所得的數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 濾波功能測(cè)試數(shù)據(jù)表

從表3可知，在50 kHz范圍內(nèi)濾波器f0、fN實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與設(shè)置數(shù)據(jù)存在一定誤差，整體誤差小于3%.產(chǎn)生誤差的原因主要是由低fclk/f0比值和低Q值引起的.由于fclk/f0比值和Q值分別為80和1，若將fclk/f0比值和Q值以低值設(shè)置時(shí)，Q和f0之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致濾波器產(chǎn)生誤差.此外，STM32F103VE輸出fclk有一定的偏差，也會(huì)導(dǎo)致濾波器f0、fN產(chǎn)生誤差.

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究以STM32F103VE、AD8429和MAX262為核心，設(shè)計(jì)了一種多功能濾波器，可實(shí)現(xiàn)二階或四階低通、高通、帶通及陷波濾波.對(duì)輸入信號(hào)在0～60 dB范圍內(nèi)且以1 dB為步進(jìn)放大，增益誤差小于3%.在10 kΩ負(fù)載上截止頻率、中心頻率及陷波頻率步進(jìn)可調(diào)，最大可達(dá)50 kHz，頻率誤差均小于3%.本研究設(shè)計(jì)的多功能濾波器操作方便，功能較強(qiáng)，可適用于多種濾波測(cè)試場(chǎng)合.