单片机控制的双路有源滤波器设计

    摘要：用单片机对可编程滤波器芯片MAX262进行程序控制，可以同时对两路输入信号进行二阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，滤波器的中心频率在15kHz～50kHz频率范围内实现64级程控调节，其Q值在0.5～64范围实现128级程控调节。

    关键词：MAX262 单片机 滤波器

在工业自动化的许多领域都要使用滤波器。一般有源滤波器均由运算放大器和RC元件组成，对元器件的参数精度要求比较高，设计和调试都比较麻烦。美信公司（MAXIM）生产垢可编程滤波器芯片MAX262可以通过编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，而且滤波的特性参数如中心频率、品质因数等也可以通过编程进行设置。

有源滤波器一般通过改变RC网络参数来改变频率特性，采用运算放大器和可切换元件参数的RC网络，可以用同一电路组成各种频率特性的滤波器。美信公司的可编程滤器芯片采用编程数据来完成RC网络的切换。

1 MAX262芯片介绍

（1）内部结构

MAX262主要由放大器、积分器、电容切换网络（SCN）和工作模式选择器组成。积分器、电容切换网络（SCN）和工作模式选择器分别由编程数据M0M1，F0～F5和Q0～Q6控制。MAX262内部有两个二级滤波器，滤波器A和B可以单独使用，也可级联成四阶滤波器使用。芯片的使用非常灵活，但它们均受同一组编程数据的控制。

    MAX262芯片的工作频率为1Hz～140kHz。当时钟频率为4MHz，工作模式选择为模式3时，芯片可以对140kHz的输入信号进行滤波处理。其它工作模式的最高工作频率为100kHz。滤波器A和B可以采用内部时钟，也可以采用外部时钟。外部时钟分别从芯片的引脚CLKA、CLKB引入，对外部时钟无占空比要求。如果要对更低频率的信号进行滤波处理，可采用MAX260芯片，它的工作频率为0.01Hz～7.5kHz。输入的低频信号可以直接送到MAX260芯片的输入端（即INA或INB引脚），输入信号的幅度范围为0V～+5V。

（2）编程参数

MAX262芯片有三个编程参数：中心频率f0、Q值和工作模式。

中心频率由编程数据F0～F5控制，共64个不同的二进制数据，每个数据对应一个时钟频率fclk与中心频率f0的比值fclk/f0。在文献[1]的表2中给出了MAX262芯片的fclk/f0与编程数据F0～F5的对应关系。在系统实现时，可以采用查表的方法获得编程数据。本文采用计算的方法来形成编程数据F0～F5。

Q值由编程数据Q0～Q7控制，共128个不同的二进制数据，每个数据对应一个同的Q值，最小的Q值为0.5，最大的Q值为64（如果芯片工作在模式2则可达90.5）。在文献[1]的表3中给出了编程数据Q0～Q7与Q值的对应关系。

工作模式由编程数据M0M1控制，分别对应工作模式1、2、3和4。模式1可以实现低通、带通和带随滤波；模式2基本与模式1相同，只是该模式可以获得最高的Q值；模式3是唯一可以实现高通滤波的模式；而只有模式4才能实现全通滤波，它和模式3也可以实现低通和带通滤波。

编程参数f0、Q值和工作模式确定以后，只要将相应的编程数据装入MAX262芯片内部的寄存器，滤波器的类型和频率特性也就确定了。

2 单片机硬件设计

MAX262芯片的编程输入总线比较简单，它包括2条数据线D0D1，4条地址线A0～A3，另外还有一条写允许控制线WR。单片机采用内部有4KB程序存储器的89C51。它与MAX262芯片构成的双路程序控制滤波器系统硬件配置原理框图如图1所示。

本系统采用6264芯片扩展数据存储器。由于74LS138译码器使用89C51 P2口的高三位进行地址译码，则6264的地址范围为0000H～1FFFH。

74LS138译码器的输出Y2作为8279芯片的片选信号CS，其地址范围为4000H～5FFFH。经74LS373锁存后的地址线A0送到8279的A0地址输入端，所以选择5FFFH作为8279的命令口地址，5FFEH作为8279的数据口地址。89C51的晶振选用12MHz，其ALE信号经4分频后，得到频率为500kHz的信号送到8279的CLK输入端和为时钟信号。8279采用中断方式，占用89C51的外中断0。8279采用8个七段LED显示器，其ALE信号经4分频后，得到频率为500kHz的信号送到8279的CLK输入端作为时钟信号。8279采用中断方式，占用89C51的外中断0。8279采用8个七段LED显示器，其键盘按照如下：10个数字键0～9，1个小数点键，5个功能键（即用于选择滤波器的类型，低通、带通、高通、全通和带阻滤波），1个回车键，其17个按键。

89C51的WR控制信号和74LS138译码器的Y1输出信号相与后送到MAX262的WR写允许控制端，则MAX262的地址范围为2000H～3FFFH.MAX262的地址线Ax（即A0～A3）和数据线Dx(即D0D1)连接到89C51的P0口低六位，即A0～A3、D0D1分别连接到P0.0～P0.5。89C51的ALE信号送到MAX262的CLKA和CLKB引脚作为时钟信号，即MAX262的外部时钟频率为2MHz，所以程控滤波器能处理的输入信号频率范围为15kHz～50kHz，通过改变编程数据F0～F5实现64级中心频率调节。

本系统选用模式1实现低通、带通和带阻滤波，模式3实现高通滤波，模式4实现全通滤波。其中，滤波器A和B的高通、带阻和全通滤波输出端分别共用MAX262的HPA、HPB引脚。需要处理的低频输入信号分别由MAX262的INA和INB引脚输入，滤波器A和滤波器B的三个输出端分别连接到模拟开关4052的输入端，然后由4052的输出端输出滤波处理后的信号，即图1中的OUTA和OUTB两路输出信号。4052的地址A1、A0由89C51的P1.1、P1.0控制，实现对滤波器类型的选择。

3 系统软件实现方法

（1）编程数据获得方法

MAX262的地址A0～A3与数据D0D1的关系见表1。由表1可见每个滤波器的工作模式、中心频率、Q值所需编程数据均需要分8次写入MAX262的内部寄存器才能完成设置。

表1 MAX262的址A0～A3与数据D0D1的关系

滤波器A滤波器B数据位地      址数据位地    址 D0D1A3A2A1A0D0D1A3A2A1A0M0A
F0A
F2A
F4A
Q0A
Q2A
Q4A
Q6AM1A
F1A
F3A
F5A
Q1A
Q3A
Q5A
0
0
0
0
0
0
0
00
0
0
0
1
1
1
10
0
1
1
0
0
1
10
1
0
1
0
1
0
1M0B
F0B
F2B
F4B
Q0B
Q2B
Q4B
Q6BM1
F1B
F3B
F5B
Q1B
Q3B
Q5B
1
1
1
1
1
1
1
10
0
0
0
1
1
1
10
0
1
1
0
0
1
10
1
0
1
0
1
0
1

通过文献[1]给出的fCLK/f0与F0～F5的关系表格，得到本文根据fCLK/f0计算编程数据F0～F5的公式，即fCLK/f0与F0～F5的关系为：

fCLK/f0=40.84+1.57N1 (1)

或，N1为二进制数据F0～F5对应的十进制整数，范围为0～63共64级。

同样，对应滤波器的Q值也采用查表的方法，而是通过计算来获得Q值的编程数据Q0～Q7。Q值与Q0～Q7的关系为：

Q=64/(128-N2) （3）

或 N2=64(2-1/Q) （4）

其中，N2为二进数据Q0～Q6对应的十进制整数，范围为0～127共128级。

（2）系统程序流程

本系统的单片机主程序框图见图2。首先进行初始化，包括对8279的初始化，然后从片内RAM中读取新设置标志位进行判断。如果不是则给MAX262芯片送入滤波器所需的初始工作参数；是新设置则根据键中断服务程序获得的键值进行处理。

进行新设置时，首先根据输入的键值完成对滤波器的选择，包括滤波器A和B的设置选择以及相应滤波器的类型选择；然后根据式（4），由输入的Q值计算N2并转换成二进制编程数据Q0～Q6送片内RAM；同时根据式（2），由输入的中心频率f0值计算N1并转换为二进制编程数据F0～F5送片内RAM。在获得MAX262的工作参数后，根据表1将这些参数转换为8字节的编程数据，由89C51的P0口送到MAX262。

设置完成后，MAX262就按照当前所要求的中心频率和Q值对输入信号进行滤波处理。

最后调用显示子程序，在LED数码管显示当前滤波器的工作参数，即中心频率和Q值。

本文采用单片机89C51来完成对可编程滤波器MAX262的控制，很好地实现了有源滤波器设计工作。而且这种程控滤波器具有使用灵活、调试容易的特点，一片MAX262就能完成对两路输入信号进行二阶滤波的处理。