프로그램 제어 필터 개발 동향

첫째, 전반적인 프로그램 설계

1. 1 프로그램 제어 증폭기 프로그램

제목 요구 사항 증폭기 입력 신호 범위는 10mV, 즉 피크 20mV, 전압 게인 60dB, 게인 단계 10dB, 전압 게인 오차 5% 미만, 관통 벨트1

시나리오 1: 저소음 연산 증폭기 OP37 을 사용하여 필요에 따라 6 개의 다른 폭의 채널을 확대한 다음 릴레이 또는 아날로그 스위치로 채널을 전환합니다. 프로그램 하드웨어는 간단하고 이득 제어는 정확합니다. 그러나 제어는 비교적 복잡하여 구성 요소가 많아 시스템의 신속한 구현에 불리하다.

시나리오 2: 가변 게인 증폭기 AD603 을 사용하는 전압 제어 게인 연결 AD603 은 저소음 광대역 (최대 90M 게인 대역폭 곱) 가변 게인 연산 증폭기입니다. 문헌에 제시된 게인 공식에 따르면, 게인의 연속 제어를 직접 얻을 수 있으며, 그 결과 수치에 대한 것이다. 0db ~ 60dB 의 게인 범위를 쉽게 구현할 수 있습니다.

위의 분석을 종합해 볼 때 시나리오 2 는 조작성이 가장 뛰어나며, 연산 조정 후 시나리오 2 는 피크 요구 사항을 쉽게 충족시킬 수 있으므로 시나리오 2 를 선택합니다.

1.2 프로그램 제어 필터 체계

제목 요구 사항 필터는 로우 패스 및 하이 패스 필터로 설정할 수 있습니다. -3dB 의 차단 주파수는 1k ~ 20kHz 이고 주파수 스테핑은 1K~20KHz 이며 두 시스템의 총 이득은 30dB 이하입니다. 우리는 다음과 같은 방안을 고려하고 있다.

시나리오 1: 저통, 고통, 대역 통과 필터는 Maxim 의 스위치용량 필터 칩 MAX262 와 같은 기성 필터 칩으로 구현할 수 있으며, 중심 주파수 범위는 DC 에서 140KHz 까지 제목 요구 사항을 잘 충족할 수 있습니다.

시나리오 2: 세 개의 연산 증폭기와 저항 콘덴서로 구성된 상태 조절 필터를 사용합니다. 회로는 비교적 간단하여 LPF, BPF, HPF 등 3 방향 출력을 얻을 수 있습니다. Q 값을 결정하는 저항과 중심 주파수를 결정하는 콘덴서를 사용하여 서로 다른 저항을 통해 중심 주파수를 전환하여 1k ~ 20kHz 의 차단 주파수와 1K~20KHz 의 주파수 스테핑을 수행할 수 있습니다.

시나리오 3: 상태 조절 필터를 사용하여 달성합니다. DA 내부의 R-2R 저항 네트워크를 사용하여 디지털 양을 제어하여 저항을 변경함으로써 제목의 요구 사항에 맞게 필터의 중심 주파수를 변경합니다.

비교 후, 나는 첫 번째 방안이 좋다고 생각하지만, 스위치용량 필터의 칩을 사지 않았기 때문에, 이런 방안을 포기하고, 세 번째 방안을 채택하고, 디지털 양으로 DAC0832 의 내부 저항 네트워크를 제어하여 중심 주파수의 변화를 실현하였다. 이 방안은 조작성이 강하여 요구 사항을 쉽게 충족시킬 수 있다.

1.3 4 차 타원 필터

4 차 타원 필터의 시나리오는 다음과 같습니다.

시나리오 1: 상태 조절 변수 필터의 LP, BP, HP 출력을 사용하여 2 차 타원 저통과 필터를 얻을 수 있으며, 2 차 섹션을 연결하여 4 차 타원 저통과 필터를 구현할 수 있습니다.

시나리오 2: 연산 증폭기를 사용하여 기존 필터 해석 소프트웨어와 소프트웨어가 직접 제공하는 회로를 적절히 조정하면 4 차 저역 통과 타원 필터를 구현할 수 있습니다.

두 가지 방안을 비교하면, 첫 번째 방안은 주제의 요구를 잘 충족시킬 수 있지만, 디버깅하는 것은 비교적 번거롭고, 기술 요구도 비교적 높다. 두 번째 방안 회로 형식은 간단하고 제작 속도가 빠르기 때문에 두 번째 방안을 채택한다.

1.4 진폭 주파수 특성 테스터

과제는 우리에게 진폭 주파수 특성 시험기를 만들 것을 요구한다. 스캔 주파수 범위는 100 Hz ~ 200 kHz 이고 주파수 스텝핑은 10KHz 입니다. DDS 칩을 사용하는 스캔 주파수 방안은 선형 스캔 주파수를 잘 실현할 수 있다. 두 가지 주요 테스트 시나리오가 있습니다.

시나리오 1: 먼저 탐지한 후 확대하는 방안. 검출 증폭 방식은 일반적으로 피크 검출 방법을 사용합니다. 출력이 감지되면 스테핑 분압기를 사용한 다음 DC 돋보기 확대 신호를 사용하여 측정합니다. 그러나 검출기 다이오드의 매개변수는 최소 신호의 해상도에 영향을 준다는 점에 유의해야 합니다.

시나리오 2: 먼저 확대한 후 감지하는 방안. 증폭 검출 방안은 일반적으로 평균 검출 방법을 사용한다. 입력 신호는 먼저 스테핑 분압기로 들어간 다음 확대된 후 평균 검파기로 보냅니다. 그러나 증폭기의 대역폭은 테스트된 신호의 주파수 범위에 영향을 준다는 점에 유의해야 한다.

우리가 테스트할 주파수 범위는 100 Hz ~ 200 kHz 이며, 증폭기 게인과 대역폭 곱에 대한 요구가 높지 않기 때문에 증폭검사파 방안을 채택하고 있습니다.

둘째, 시스템 설계:

전체 시스템은 프로그램 제어 필터 모듈과 진폭 주파수 특성 곡선 테스트 모듈의 두 부분으로 나뉩니다. 시스템 모듈 블록 다이어그램은 다음과 같습니다. (그림 주)

2. 1 프로그래머블 증폭기 구현

제목 요구 사항에 따라 입력 피크 값이 20mV 인 경우 프로그램 제어 증폭기의 동적 범위는 60dB 이고 출력 피크 피크는 2mV-20V 여야 합니다. 이 설계는 AD603 의 연속 모드 (최적의 신호 대 잡음비) 를 사용합니다. 이 시나리오에서는 두 개의 AD603 의 게인 곡선을 결합하여 동적 범위를 확장합니다. 다음 그림과 같이 조합 게인 범위는 약 -20dB ~ 60dB 로 제목 동적 범위의 요구 사항을 충족합니다.

AD603 의 전원 전압이 낮기 때문에 출력 전압 범위 요구 사항은 AD603 확대에 기반한 더 높은 전원 전압을 가진 연산 증폭기를 사용하여 조정하고 구현할 수 있습니다.

2.4 주파수 특성 곡선 테스터의 실현

진폭-주파수 특성 곡선을 테스트할 때 스캔 주파수는 MSP 430f1611단일 칩 제어 DDS 에 의해 구현되며, 감지는 AD637 을 사용하여 유효한 값 감지, ADS8505 는 단일 칩 주변 장치로 AD637 출력을 샘플링합니다. 마이크로 컨트롤러 최소 시스템은 적외선 리모콘 키보드와 320x640 대형 LCD 디스플레이를 사용합니다.

셋째, 시스템 소프트웨어 흐름도:

3. 1 프로그램 제어 필터 흐름도는 다음과 같습니다: (그림 주)

3.2 주파수 테스터 흐름도: (다이어그램 저장)

넷째, 시스템 테스트

4. 1 테스트 장비:

4.2 주요 테스트 결과:

4.3 증폭기 테스트 데이터

60dB 테스트 평균 게인 오차는 1.85%, 평균 전압 게인 오차는 3.37% 입니다.

4.4 필터 매개 변수에 대한 테스트 데이터

마감 주파수의 평균 오차는 0.027% 입니다.

4.5 타원 필터 매개 변수 테스트

-3dB 의 통대역 오차는 (50-49.6)/50 = 0.8% 입니다. 소음이 크고 심지어 70 mV 이상의 DC 출력이 있기 때문에 기존 조건에서 200K 의 이득이 정확하지 않다고 생각할 수 있습니다. 이 설계의 매개변수는 오실로스코프가 격리된 상태에서 측정됩니다.

4.6 오류 분석

시뮬레이션에 의해 얻어진 회로 매개변수를 수정함으로써 시스템은 좋은 지표 매개변수를 얻었다. 그러나 이론 분석에는 여전히 큰 오차가 있는데, 기본적으로 다음과 같다.

1. 보정 시 F40 신호 발생기는 20mV 신호를 생성하는 데 사용됩니다. 신호의 신호 대 잡음비는 매우 나쁘고, 잡음 전력의 간섭은 오차의 도입을 야기하며, 진폭 주파수 특성 테스터의 신호 소스도 있다.

2. 교정용 트랜지스터 밀리볼트 시계 자체는 기계시계로 비교적 큰 오차를 일으킬 수 있으며, 사람의 눈은 판독할 때 큰 오차도 도입한다.

이 주제는 아날로그 회로가 더 많습니다. 디버깅할 때 각 측이 회로를 종합해 보상을 하고 제목 요구 사항에 따라 균형을 잡으면 약간의 오차가 발생할 수 있다.

4. 전원 공급 장치의 사용은 종종 회로 소음을 도입하는 데 있어 관건이다. 특히 작은 신호를 측정할 때는 더욱 그렇다.

회로 보정: 오류 분석을 통해 이 설계는 오류를 줄이기 위해 몇 가지 연산을 수행했습니다.

1. AD9954 의 자체 제작 PCB 를 사용하여 출력 신호의 신호 대 잡음비를 높입니다.

2. 기기를 사용할 때 여러 차례 평균을 내서 아날로그 계기와 인간의 눈 판독 사이의 오차를 줄입니다.

3. 주요 아날로그 회로에 대해 PCB 를 만들고 신호 접지를 특수하게 처리하여 아날로그 회로의 디버깅 난이도를 줄입니다.

4. 전원 시스템은 격리가 좋은 R 형 변압기를 사용하여 근원에서 소음의 도입을 줄입니다.

동사 (verb 의 약어) 디자인 요약

며칠 동안의 노력 끝에 우리는 마침내 제목이 제시한 모든 요구에 도달했다. 동시에, 시간이 촉박하기 때문에, 시스템은 아직 완벽하지 않다. 예를 들어, 주파수 특성 테스터의 그래픽 디스플레이는 매우 인간적이지 않습니다. 타원형 필터가 몇 개의 필터가 겹쳐진 결과라는 것을 알고 있지만 추론하고 제작할 시간이 충분하지 않지만 전자 설계 지식에 대한 이해와 팀워크를 심화시키는 것이 대회의 가장 큰 수확이다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 예술명언)