在信號處理過程中，輸入信號通常是夾雜噪聲和干擾的微弱信號，而且信號強度、噪聲和干擾的頻率也是變化的，為了得到高信噪比的輸出信號，就要求信號處理電路具有放大和濾波功能，且能夠按照輸入信號強度的不同，干擾、噪聲頻率的不同而改變信號處理電路的放大倍數(shù)和濾波器設置，可調(diào)增益程控濾波器就是為了適應這種要求而設計出來的一款信號處理電路。
1 系統(tǒng)設計
由于信號處理系統(tǒng)的輸入信號是含有噪聲干擾的微弱信號，因此首先該系統(tǒng)應該能對微弱信號進行放大，然后再濾波，濾除干擾和噪聲；其次，該系統(tǒng)還應該能根據(jù)信號強度的大小和噪聲干擾頻率的不同，通過鍵盤重新設置系統(tǒng)的增益和濾波器的頻率等，并且將當前的設定值顯示出來。根據(jù)以上要求，該系統(tǒng)由三部分組成，即程控放大部分、程控濾波部分和鍵盤、顯示部分。整個系統(tǒng)以89C51單片機為控制器，將這三部分連接起來構(gòu)成一個可調(diào)增益程控濾波的信號處理電路，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
圖1中，單片機循環(huán)檢測鍵盤輸入，并根據(jù)鍵盤輸入來控制程控放大部分的放大倍數(shù)和程控濾波部分濾波器的頻率，并將鍵盤輸入的給定值通過顯示部分顯示出來。
2 程控放大部分設計
該部分的功能主要是按照給定的增益對輸入信號進行放大，也就是說放大倍數(shù)是由程序控制可調(diào)的，為了完成這樣的功能，在這里選用運算放大器AD826和10位D／A轉(zhuǎn)換器AD7520的內(nèi)部電阻網(wǎng)絡組成一個程控可調(diào)增益的放大電路。AD826具有50 MHz的增益帶寬積和較高輸出驅(qū)動能力，對于普通信號的放大完全可以滿足。AD7520內(nèi)部集成了10個模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡，而且這10個模擬開關(guān)是可編程控制的，根據(jù)這樣的特點，用AD7520內(nèi)部電阻網(wǎng)絡與AD826共同組成程控增益部分電路，原理如圖2所示。
圖2(a)為AD7520內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡，圖2(b)為AD7520與AD826的硬件連接圖，由圖2可以得出放大電路輸入與輸出之間的關(guān)系式如式(1)。其中A1到A10的取值由模擬開關(guān)S1～S10的控制位BIT N(N從1到10)決定，當BIT N為“1”時，即開關(guān)打向與Iout1連接，則AN為1，反之AN為0。
式(1)表明，放大倍數(shù)可以從1～1 024之間任意調(diào)整，只要改變BIT1～BIT10相應位的邏輯狀態(tài)就可以控制改變放大倍數(shù)。如：當BIT1～BIT10為3FFH時，由式(1)可計算出放大倍數(shù)是1倍，也就是0 dB；當為98H時放大倍數(shù)是10倍，也就是20 dB。要做到程控增益，只需要將單片機的I／O口P1.0～P1.7，P2.0～P2.1與AD7520的管腳BIT0～BIT9依次連接，通過程序控制單片機I／O口的輸出狀態(tài)即可完成程控增益的目的。
3 程控濾波部分設計
程控濾波部分采用可編程控制的濾波器芯片MAX261來實現(xiàn)。MAX261是CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，它無需外圍元件即可構(gòu)成多種低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，最大工作頻率范圍從0.4 Hz～57 kHz，其原理圖如圖3所示。用MAX261設計濾波器時主要是設計5個參數(shù)，時鐘頻率fCLK；中心頻率f0，以及對應的編程系數(shù)Nf；品質(zhì)因數(shù)Q，以及對應的編程系數(shù)Nq。其中fCLK由外部晶振頻率決定。這5個參數(shù)之間是有相互關(guān)系的，計算起來很復雜，為了提高設計效率可用MAXIM公司為MAX261濾波器提供的專用設計軟件來計算。在計算f0和Q時應選擇不同的工作模式。
MAX261有五種工作模式，分別為：
模式1：可以構(gòu)成-巴特沃思、切貝雪夫、貝塞爾濾波器實現(xiàn)全極點低通和帶通濾波器。
模式2：用來構(gòu)成全極點低通和帶通濾波器，和模式1相比，優(yōu)點在于能夠獲得更高的Q值和低噪聲輸出。
模式3：能構(gòu)成高通濾波器，其最大輸入時鐘頻率小于模式1中采用的頻率。
模式3A：通過運用片內(nèi)自由運放把模式3中高通與低通輸出相加構(gòu)成獨立的帶阻。
模式4：可提供全通輸出，也可用來提供全極點低通和帶通濾波器。
在設計濾波器時可根據(jù)需要選擇相應的模式。
對MAX261編程，主要是將編程系數(shù)Nf和Nq寫入濾波器A和B的存儲器中。MAX261的硬件原理圖如圖3(b)所示，用單片機的I／O口P0.0～P0.3控制四位地址線，用P0.4和P0.5控制數(shù)據(jù)線，P0.6為寫控制位WR。由于Nf是六位的二進制數(shù)：F0～F5，Nq是七位的二進制數(shù)：Q0～F6，而數(shù)據(jù)位只有兩位，所以對MAX261編程時應按照表1所示的地址數(shù)據(jù)格式寫入。
對MAX261寫數(shù)據(jù)時，地址、數(shù)據(jù)和寫控制位的時序按照圖4所示時序操作。地址信號在寫控制位低電平時有效，數(shù)據(jù)將在WR上升沿時被寫入由地址確定的存儲單元中。編程時先讓P0口將地址、數(shù)據(jù)和WR同時送出，如P0=80H表示W(wǎng)R為低電平，準備將工作模式1的控制字寫入濾波器A，接著讓P0.6=1，即WR由低跳高，模式1控制字就被寫入存儲單元。
4 鍵盤和顯示部分設計
鍵盤用3個按鍵K1，K2，K3即可完成。K1選擇程控對象，即選擇當前是對程控放大部分編程還是對程控濾波部分編程，當K1選定后，K2，K3定義為加、減選擇，用來調(diào)整放大部分的增益或改變?yōu)V波部分的中心頻率。顯示部分用已封裝好的LCD顯示模塊，不需要另行設計。
5 結(jié) 語
本系統(tǒng)將3個器件AD7520，AD826，MAX261有效地結(jié)合起來，以單片機為控制器來控制放大增益和濾波頻率，實現(xiàn)了對輸人小信號的前級放大，后級濾波，消除噪聲干擾，最終輸出一個真實有效測量信號，可完成對測量信號的處理功能。