单片机和可编程逻辑器件(FPGA)为控制核心，设计了程控滤波器，实现了小信号程控放大、程控调节滤波器截止频率和振幅特性测试的功能。可变增益放大器放大模块AD实现603，最大增长60dB，10dB步进可调，增益误差小于1%。由程控滤波模块组成MAX297低通滤波、TLC由模拟开关选择1068高通滤波器和椭圆低通滤波器组成。本系统程控调整有源滤波-3dB截止频率，使其在1~30kHz误差小于1.5%。此外，采用有效的采样芯片AD637及12位并行A/D转换器MAX120实现了扫频信号范围的测量。
滤波器是一种用于消除干扰杂讯的装置，可有效过滤特定频率的频点或频点以外的频率。它在电子领域中占有很重要的地位，在信号处理、抗干扰处理、电力系统、抗混叠处理中都得到了广泛的应用。对于程控滤波器，该系统最大的特点是其滤波模式可以程控选择，-3 dB截止频率程控可调，相当于集多功能于一体的滤波器，具有更好的应用前景。此外，该系统还具有振幅特性测试的功能，并通过示波器显示频谱特性，可以直观地反映滤波效果。
1 方案论证与选择
1.1 可变增益放大模块的设计与论证
方案1:数字电位器控制两级INA129级联。用FPGA控制数字电位器DS1267作为高精度仪表放大器输出不同的电阻值INA129反馈电阻。通过控制数字电位器来改变INA放大倍数为129，使放大器的增益可调。
方案2：可变增益放大器AD603实现。可变增益放大器内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器由固定增益放大器输出，由增益控制接口的参考电压决定，由单片机控制DAC产生精确的参考电压控制增益，从而实现更精确的数控。
由于输入正弦小信号振幅10 mV，电压增益60 dB，10 dB步进程控可调，电压增益误差不大于5%。两种方案都可以在精度上实现，AD603后加一级放大也可以实现600 dB放大倍数。但数字电位器内部结构复杂，受电容影响，后接运放会带来意想不到的后果，因此采用方案2。
1.2 滤波器模块的设计与论证
方案1:使用数字滤波器。MATLAB数字滤波器设计FIR或者IIR滤波器。数字滤波器具有精度高、截止特性好等优点。FIR过滤器会占用太多FPGA资源，IIR滤波器设计工作量大，稳定性低，截止频率可调，必须使用不同的参数，设计软件量大。
方案2；使用无源LC滤波器。各种类型的滤波器都可以用电感器和电容器建造。参照滤波器设计手册中的相关参数，可以轻松设计理想的滤波器。但是，如果截止频率可调，硬件将非常复杂，只有电感电容器参数才能改变。
方案3：采用集成开关电容滤波器芯片。由电容滤波器开关MOS开关、MOS电容和MOS由操作放大器组成的大型集成电路滤波器。在时钟频率的驱动下，其开关电容组可以等效成与时钟频率相关的等效电阻。当外部时钟发生变化时，等效电阻发生变化，从而改变滤波器的时间常敦，从而改变滤波特性。开关电容滤波器不需要像数字滤波器那样直接处理模拟信号A／D、D／A电路设计简化，系统可靠性提高。
综上所述，该系统采用方案3，采用集成芯片MAX利用297实现低通滤波器LTC1068实现高通滤波器；采用方案2LC实现四阶椭圆低通滤波器的滤波器技术。
2 实现方框图
这个系统是单片机和FPGA可控增益放大模块、程控滤波模块和振幅特性测试模块是控制核心的组成部分。如图1所示，系统框图。输入振幅为1 V分压网络衰减后，信号变成振幅10 mV小信号，经OPA690前级放大2倍，起到阻抗变换和隔离的作用。与此同时由AD9851通过模拟开关产生一个设定频率的正弦信号，选择一个送到后级。程序控制信号AD603进行0～60dB放大可调增益后，送入滤波模块。滤波模块包括低通、高通和椭圆滤波器，由程序控制-3 dB截止频率在1～30 kHz可调范围，步进1kHz。椭圆滤波器截止频率500 kHz。通过模拟开关选择特定的滤波信号输出A／D转换后送入FPGA测试振幅频特性，然后使用两块DAC显示0800幅频特性曲线。
3 主要功能电路设计
3.1 放大模块
如图2所示。第一部分是分压网络，其中前四个电阻将输入信号衰减100倍，并与信号源内阻共同构成51Ω阻抗，后51Ω匹配电阻。采用第二部分OPA690将小信号放大两倍，起到阻抗变换和隔离的作用。由于AD603输入阻抗为100Ω，因此，在后面串联100 Ω匹配电阻。第三部分是AD随着控制电压的增加，603可变增益放大。dB为单位线性增长。1脚的参考电压由单片机操作和控制DAC芯片输出电压来得到，从而实现精确的数控。增益G(dB)=40VG G0，其中VG输入电压的范围-500~500mV；G0是增益的起点，连接不同的反馈网络也不同。5、7脚间接一个5kΩ从而改变电位器。
3.2 高通滤波模块
LTC1068是一种低噪声、高精度的通用滤波器用于高通滤波时，截止频率范围为1 Hz～50 kHz，而且直到截止频率的200倍才混合。由于LTC1068年的四个通道都是低噪音、高精度、高性能的二级滤波器，所以每个通道只要连接几个电阻就可以实现低通道、高通道、带通道和带阻滤波器的功能。具体电路如图3所示。B端口Q值0.57，A端口Q值约为1。在电路调试中发现，A口的Q值需要比B口好Q值大，否则信号在截止频率处幅值会上翘。
LTC由于1068时钟频率与通带的比例为200:1，LTC对时钟信号在1068内CLK二倍频，所以当截止频率最小为1 kHz内部时钟的频率实际上是400kHz，故在LTC1068以后再加一个截止频率450kHz低通滤波器滤除分频带来的噪声和高谐波。
3.3 低通滤波模块
用MAX297实现低通滤波器。开关电容滤波器MAX297可以设置为8阶低通椭圆滤波器，阻带衰减为-80dB，时钟频率与通带频率的比例为50:1。CLK滤波器-3 dB截止频率为1~20kHz可调范围，步进1 kHz的要求。
在使用MAX297时，需要注意的是，当信号频率与采样辨率相同时，开关电容组在电容器上采集相同范围的信号，相当于输入信号为直流，使滤波器输出直流电平。同样，当信号频率是采样频率的整数倍时，也会出现同样的现象。因此，在其面前，应增加模拟低通滤波器，有效消除采样频率及以上的高频信号。故又用一级MAX297，截止频率设置为50kHz。时钟频率设2.5 MHz。低通滤波器的截止频率为150 kHz，过滤信号的高频分量，使波形更加光滑。具体电路如图4所示。
3.4 四阶椭圆低通模块
系统要求制造一个四阶椭圆形低通滤波器，带内起伏≤1 dB，-3 dB通带为50 kHz，采用无源LC椭圆低通滤波器来实现。用Filter Sol ution在Multisim电容器和电感的参数被模拟和调整为标称值。另外，椭圆滤波器前后接射级跟随器避免前后阴影。具体电路如图5所示。
4 系统软件设计
系统软件设计由单片机和FPGA用户可以通过界面显示选择高通、低通和椭圆滤波器，设置截止频率，显示幅频曲线。单片机主要完成用户输入输出处理和系统控制，FPGA主要功能有：控制AD9851产生扫频信号，控制滤波器截止频率的时钟信号，控制两块D／A显示振幅频特性曲线。如图6所示，程序流程图。
5 测试方案及测试结果
5.1 放大器测试
放大器输入端的正弦信号频率为10 kHz，振幅为10 mV，10、20、30、40、50、60分别设定增益大小dB，用示波器测量实际输出振幅，计算实际增益，误差小于1%。此外，测量放大器的通频带为1~200kHz。
5.2 低通、高通滤波器测试
将放大器增益设置为40dB，滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器截止频率为1~30 kHz范围，步进为1kHz。用示波器测量实际截止频率，计算相对误差小于1.5%和2fc电压总增长小于20dB。同样的高通滤波器测试方法。
5.3 椭圆滤波器试验
放大器增益设置为40 dB，实际用示波器测量-3 dB截止频率和200 kHz总电压增益。测得到的fc=50．0kHz，在150 kHz处幅度几乎衰减到0。
5.4 测试幅频特性和相频特性
测量低通、高通滤波器的频率特性，在示波器上显示其幅频特性曲线，与所设置的滤波模式及截止频率相符。
6 结束语
该系统放大器的增长范围为10~600 dB，通频带1～200 kHz，增长误差小于1%。滤波器截止频率范围1~3000kHz，误差小于1.5%。椭圆滤波器截止频率误差为0，150 kHz几乎衰减到0。当截止频率为20时，误差主要来自时钟频率 kHz最高时钟频率为2MHz，时钟沿不能保证良好，时钟频率不能准确控制，放大器的非线性误差。此外，利用DAC振幅特性测试仪实现了0800和有效值检波电路，整体性能良好。单片机和整个系统FPGA工作稳定，测量精度高，人机交互灵活。