程式控制濾波器

測量系統從感測器拾取的信號中，往往包含有雜訊和許多與被測量無關的信號，並且原始的測量信號經傳輸、放大、變換、運算及各種其他的處理過程，也會混入各種不同形式的雜訊，從而影響測量精度。這些雜訊一般隨機性強，很難從時域中直接分離，但限於其產生的機理，其雜訊功率是有限的，並按一定的規律分佈於頻域某一特定的頻帶中。信號分離電路一般採用濾波器實現雜訊的抑制，提取所需的測量信號。但是系統中採用的濾波器的形式和截止頻率往往是固定的，很難做到可調，這就給系統的設計帶來一定的不便。然而，開關電容濾波器的使用可以很好地解決這一問題，但是開關電容濾波器的價格較高，會提高系統的設計成本。

本系統的核心部分為雙二階環路濾波器，雙二階環路濾波器利用兩個以上由加法器、積分器等組成的運算放大電路，根據所要求的傳遞函數，引入適當的反饋構成濾波電路。其突出的特點是電路靈敏度低，因而特性穩定，並可實現多種濾波功能，經適當改進還可以減少運算放大器的數目。本系統採用了TI公司的四通道運放OPA404，設計了一個雙二階環濾波電路。OPA404是一款四路高速精密運算放大器，電壓擺率可達35 V/s，可以實現本系統的設計要求，電路原理圖如圖2所示。

該系統利用數字合成信號源、雙蹤示波器、模擬機、交流電壓表進行了測試。調節輸入信號的頻率，並利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值，將實際測量值和預置值進行對比和分析。

對於低通或者高通濾波器，預置其Q值(品質因數)為0.707。測試結果表明，濾波器截止頻率在100Hz～50 kHz可調，實際測量的截止頻率與設置值誤差小於1%。在濾波器的阻帶內，達到10倍頻程40dB衰減的效果，通帶內起伏小於0.5 dB。

對於帶通或者帶阻濾波器，預置其Q值為5，測試結果表明，濾波器中心頻率在600Hz～7.2 kHz範圍內可調，實際測量的Q值與預置值誤差小於3%。

系統軟體採用模塊化和層次化的設計思想。採用模塊化方法，即是對某一硬體模塊進行控制時，只需調用相應的控制模塊即可。模塊內採用層次化設計，把底層的硬體介面處理編製為獨立底層子程序，並向上提供處理的數據，且對上層功能模塊屏蔽底層硬體介面部分。最後，主程序只需要調用相關的功能模塊就可以方便構建系統。

本系統的軟體部分主要由單片機組成，其中主要包括系統的初始化、中斷的響應和中斷的處理。該設計的功能實現以鍵盤的按鍵中斷為主線，通過讀入用戶輸入的鍵值，在相應的中斷響應函數中以的方式與外部硬體電路進行數據的交換，實現對濾波器截止頻率(中心頻率)以及Q值的設定。系統軟體流程見圖3。