基於MAX262的程式控制濾波器設計

    在電子電路中，濾波器是不可或缺的部分，其中有源濾波器更為常用。一般有源濾波器由運算放大器和RC元件組成，對元器件的參數精度要求比較高，設計和調試也比較麻煩。美國Maxim公司生產的可編程濾波器晶元MAX262可以通過編程對各種低頻信號實現低通、高通、帶通、帶阻以及全通濾波處理，且濾波的特性參數如中心頻率、品質因數等，可通過編程進行設置，電路的外圍器件也少。本文介紹MAX262的情況以及由它構成的程式控制濾波器電路。

1 MAX262晶元介紹
    MAX262晶元是Maxim公司推出的雙二階通用開關電容有源濾波器，可通過微處理器精確控制濾波器的傳遞函數(包括設置中心頻率、品質因數和工作方式)。它採用CMOS工藝製造，在不需外部元件的情況下就可以構成各種帶通、低通、高通、陷波和全通濾波器。圖1是它的引腳排列情況。
 
圖1 MAX262引腳
V+ —— 正電源輸入端。
V- —— 負電源輸入端。
GND —— 模擬地。
CLKA —— 外接晶體振蕩器和濾波器A 部分的時鐘輸入端，在濾波器內部，時鐘頻率被2分頻。
CLKB —— 濾波器B部分的時鐘輸入端，同樣在濾波器內部，時鐘頻率被2分頻。
CLKOUT —— 晶體振蕩器和R-C振蕩的時鐘輸出端。
OSCOUT ——與晶體振蕩器或R-C振蕩器相連，用於自同步。
INA、INB —— 濾波器的信號輸入端。
BPA、BPB—— 帶通濾波器輸出端。
LPA、LPB—— 低通濾波器輸出端。
HPA、HPB—— 高通、帶阻、全通濾波器輸出端。
WR —— 寫入有效輸入端。接V+時，輸人數據不起作用；接V-時，數據可通過邏輯介面進入一個可編程的內存之中，以完成濾波器的工作模式、f0及Q的設置。此外，還可以接收TTL電平信號，並上升沿鎖存輸人數據。
A0、A1、A2、A3 ——地址輸人端，可用來完成對濾波器工作模式、f0和Q的相應設置。
D0、D1 ——數據輸入端，可用來對f0和Q的相應位進行設置。
OP OUT —— MAX262的放大器輸出端。
OP IN —— MAX262的放大器反向輸入端。
    圖2是MAX262的內部結構。MAX262由2個二階濾波器(A和B兩部分)、2個可編程ROM 及邏輯介面組成。每個濾波器部分又包含2個級聯的積分器和1個加法器。該電路的主要特性有：

1.  配有濾波器設計軟體，可改善濾波特性，帶有微處理器介面；
2.  可控制64個不同的中心頻率f0、128個不同的品質因數Q及4種工作模式；
3.  對中心頻率，f0和品質因數Q可獨立編程；
4.  時鐘頻率與中心頻率比值(fclk/f0)可達到1%(A級)；
5.  中心頻率f0的範圍為75 kHz。

 
圖2 MAX262內部結構
    圖3是控制數據輸入時序。可在WR的下降沿經邏輯介面給濾波器A、B中的fclk/f0、Q及工作模式控制字分別賦予不同的值，從而實現各種功能的濾波。
 
圖3 控制數據輸入時序

2 電路原理及設計過程
2.1 硬體設計
圖4是按上述要求設計的程式控制濾波器電路。
 
圖4 濾波器電路
    單片機選用AT89C52。AT89C52是一種低功耗、高性能的CMOS型8位微型計算機；有8 KB的Flash，256 B的RAM，32線I/O 口，3個16位定時器/計數器，6向量兩級中斷，1個雙工串列口；具有片內自激振蕩器和時鐘電路等標準功能。此外，AT89C52設有靜態邏輯，用於運行到零頻率，並支持軟體選擇的節電運行方式和空閑方式，使CPU停止工作，而允許RAM、定時/計數器、串列VI和中斷系統繼續工作。在掉電方式下，片內振蕩器停止工作。由於時鐘被凍結，一切功能都停止，只有片內RAM 的內容被保存，直到硬體複位才恢復正常工作。該電路由晶元AT89C52的P1口來控制，由單片機的P1.0～P1.5口及P1.7將數據送入存儲器54HC373存起來，再送入MAX262。通過設置相應的參數，可實現帶寬為30～50 kHz的帶通濾波。
    抗干擾電路選用X25045晶元。X25045有三種功能：看門狗定時器、電壓監測、E2PROM。看門狗電路在系統出現故障，程序“跑飛”時，會產生複位信號，使系統複位。電壓監測可以保護系統免受低電壓狀態的影響。當VCC降到最小VCC轉換點以下時，系統複位，一直到VCC返回且穩定為止。在濾波器輸出中，顯示器選用大連東方顯示器材公司的EDM-1601。它是16列×1行的液晶顯示器組件，與CPU介面簡單、功耗低、編程方便。鍵盤操作時可能會由於邏輯輸入躍變而產生某些雜訊。為避免出現這種情況，在輸入的數字線接有邏輯門緩衝(圖4中未畫)。

2.2 軟體部分
    採用彙編語言編程，MAX262的地址A0～A3與數據D0D1的關係如表1所列。由表1可看出，每個濾波器的工作模式 中心頻率 、品質因數Q值所需編程數據，均需分8次寫入MAX262的內部寄存器才能完成設置。系統的主程序流程(單片機主程序)如圖5所示。
 
 
圖5 系統主程序流程
    首先進行初始化，然後從片內RAM 中讀取新設置標誌位進行判斷：如果不是，給MAX262晶元送入濾波器所需的初始化工作參數；如果是新設置，則根據新建中斷服務程序獲得的鍵位進行處理。進行新設置時，首先根據輸入的鍵值完成對濾波器的選擇，包括濾波器A和B的設置選擇，以及相應濾波器的類型選擇。然後，由Q值計算N並轉換成二進位編程數據Q0～Q6送片內RAM，由輸入的中心頻率f0值計算N1。N為二進位數據Q0～Q6對應的十進位整數，範圍為0～127，共128級；N1為二進位數據F0～F5對應的十進位整數，範圍為0～63，共64級。在獲得MAX262的工作參數后，根據表1將這些參數轉換為8位元組的編程數據。由AT89C52的P1口通過54HC373送入MAX262。設置完成後，MAX262就按照當前所需求的中心頻率、Q值和濾波器工作方式對輸入信號進行濾波處理。

3 應用實例
    下面分析由MAX262設計的切比雪夫-I型四階帶通濾波器的工作情況。
    設計要求：中心頻率f0=40 kHz，Q=50。選晶振頻率為6 MHz，晶振二分頻後為3 MHz，即fclk=3 MHz，fclk/f0=75.53。通過查參考文獻[5].可得N1=4；通過參考文獻[5]給出的fclk/f0與 F0～F5的關係表格，得到本文根據fclk/f0計算編程數據F0～F5的公式，即fclk/f0與F0～F5的關係為：fclc/f0=40.84+1.57N1。
    同樣，對應濾波器的Q值也是通過計算來獲得Q值的編程數據Q0～Q6的。Q值與Q0～Q6的關係為：Q=64/(128-N)。其工作模式為模式2，F5～F0 為000100，品質因數Q6～Q0為0100000,M1M0為01，編程輸入為010000000010001。
    濾波器的傳遞函數為
 
式中的B、C值可按上述要求算出來。
圖6是由PSPICE作出的該濾波器的頻率響應曲線。
 
圖6 切比雪夫-I型四階帶遺濾波器的頻率響應曲線

結語
    採用單片機AT89C52完成對可編程濾波器MAX262的控制.能很好地實現有源濾波器的設計工作；這種程式控制濾波器具有使用靈活、調試容易及工作性能穩定等特點。它只要1片MAX262通過濾波器A和B的綴聯就能很容易完成四階濾波器電路的設計。另外，還可以通過對AT89C52的ALE信號進行倍頻和分頻，實現對MAX262的所有工作頻率範圍的覆蓋。該電路稍加改動后，還可通過對不同參數和N值的設置，來實現全通、低通、高通、帶阻等濾波器的設計。

參考文獻
1 王楚，余道衡．電子線路原理[M]．北京：北京大學出版社，1995
2 余永權．FLASH單片機原理及應用[M]．北京：電子工業出版社，1997
3 席藹勛．現代電子技術[M]．北京：高等教育出版社．1999
4 周宇華．開關電容濾波器綜述E1]．電子科學技術，1983
5 劉強，郭文．MAXIM熱門集成電路使用手冊，北京：人民郵電出版社．1997