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摘 要：基于W78E58单片机和FPGA模块，利用MAX262芯片，实现了具有程控滤波器，包括信号幅频特性测试、滤波参数设置及显示输出等功能的数字滤波器设计。
关键词：FPGA；W78E58；程控滤波器；MAX262
中图分类号:TP368.1 文献标识码: A
Design of the Program-controlled Filter Based on W78E58 Microcontroller and FPGA
GOU Jun-nian , ZHANGJin-min，REN Li-miao
（School of Automation and Electrical Engineering , Lanzhou Jiaotong University，GansuLanzhou 730070)
Key words: FPGA；W78E58；Program-controlled Filter；MAX262
该滤波器的功能总体要求是：放大器增益可设置；低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。具体指标要求参见[1]。本文不考虑程控放大器，只考虑程控滤波器部分的实现。
1W78E58单片机和FPGA模块
W78E58单片机是由WINBOND公司生产的一款较高性能的8位单片机。它与80C52单片机完全兼容，所不同的是，它具有32KB大小的FLASH存储器。W78E58很适合系统较复杂，程序存储空间要求大的系统。本系统就是基于这样一种背景的控制要求，因此本滤波器的控制芯片选择了W78E58。
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。
在本程控滤波器的设计中，利用FPGA模块产生频率变化范围较宽的方波频率信号，该信号可以作为数字滤波器的参考输入信号和待测单元的信号源。
2 方案选择
本设计的核心问题是信号频率的程控问题，其中包括低通或高通滤波通带、截止频率的程控。在设计过程中，可以选择分离器件的方案和集成芯片方案。考虑到可靠性和电路的简单，选择集成滤波器MAX262和少量外围元件的构成方案。具体系统原理图如图所示。
3 计算与设计
3.1滤波器参数计算
基于题目的设计要求，设计实现了高通和低通滤波。高通滤波器有关参数计算公式为：
3.2滤波器设计实现
滤波器设计采用CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器芯片MAX262，通过单片机控制MAX262的精确滤波器函数，可构成多种带通、低通、高通、带阻、全通滤波器。MAX262芯片有4种工作模式，具体设计中根据设计要求，采用模式1和模式3，其中模式1工作于低通方式，模式3工作于高通方式。下面对模式1和模式3进行简单介绍。
模式1：可构成巴特沃思、切比雪夫、贝塞尔滤波器实现全极点低通和带通滤波器。由于相对极零点位置固定，仅可以构成二阶带阻滤波器，此模式支持高时钟频率。
模式3：此模式能构成高通滤波器，其最大输入时钟频率小于模式1中采用的频率。
滤波器设计的主要步骤如下：
第一步，采用Maxim公司提供的设计软件，根据所需滤波器的类型及最佳极点数计算出每个二阶单元的中心频率f0和品质因数Q值。如不采用设计软件，可根据参考文献[2]中的公式进行计算，本次设计中未采用该软件，采用查表计算。第二步，根据第一步计算出的f0和Q值计算出每个二阶单元编程系数N（对应于f0和Q有两个值），并选择输入时钟频率和滤波器运行模式M。第三步，通过W78E58控制器的端口将编程系数N和M送入滤波器。第四步，为了获得理想的二阶状态变量响应，在设计中保证了较大的输入时钟频率与滤波器中心频率比（fclk/f0）。计算公式如下：
fclk/fo=(26+N1)π/2Q=64/（128-N）
4 程序设计
整个系统的程序代码量比较大(包括VHDL代码和C代码)，下面仅对关键代码实现进行说明。幅频特性：利用微控器控制FPGA发出脉冲的频率进行扫频，同时利用AD977对黑盒系统的输入输出采样；同时在软件上采用线性拟合，并结合限幅滤波及中位值滤波显示幅频特性波形；滤波和频率步进：微控器通过光耦控制固态继电器，以实现利用MAX262进行相应的滤波。
5 滤波器信号输出测试
将FPGA产生指定频率的测试信号送入待测滤波器的输入端，滤波器的输出端接示波器的输入端，检测接收到的信号是否符合预期的值，测试结果见表1。
6 结束语
本滤波器可分别设置为低通、高通滤波器，其-3dB截至频率在1KHz～20KHz按1KHz步进可调，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。电压增益与截止频率的误差均小于10%。测试结果表明，本设计方案是可行和成功的。
参考文献：
[1]2007年全国大学生电子设计大赛：D题题目.
[2]边春远，王志强.MCS-51单片机应用开发实用子程序[M].北京：人民邮电出版社，2005.
[3]杨恒，李爱国，王辉，王新安.FPGA/CPLD最新实用技术指南[M].北京：清华大学出版社，2005.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：FPGA；W78E58；程控滤波器；MAX262
中图分类号:TP368.1 文献标识码: A
Design of the Program-controlled Filter Based on W78E58 Microcontroller and FPGA
GOU Jun-nian , ZHANGJin-min，REN Li-miao
（School of Automation and Electrical Engineering , Lanzhou Jiaotong University，GansuLanzhou 730070)
Key words: FPGA；W78E58；Program-controlled Filter；MAX262
该滤波器的功能总体要求是：放大器增益可设置；低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。具体指标要求参见[1]。本文不考虑程控放大器，只考虑程控滤波器部分的实现。
1W78E58单片机和FPGA模块
W78E58单片机是由WINBOND公司生产的一款较高性能的8位单片机。它与80C52单片机完全兼容，所不同的是，它具有32KB大小的FLASH存储器。W78E58很适合系统较复杂，程序存储空间要求大的系统。本系统就是基于这样一种背景的控制要求，因此本滤波器的控制芯片选择了W78E58。
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。
在本程控滤波器的设计中，利用FPGA模块产生频率变化范围较宽的方波频率信号，该信号可以作为数字滤波器的参考输入信号和待测单元的信号源。
2 方案选择
本设计的核心问题是信号频率的程控问题，其中包括低通或高通滤波通带、截止频率的程控。在设计过程中，可以选择分离器件的方案和集成芯片方案。考虑到可靠性和电路的简单，选择集成滤波器MAX262和少量外围元件的构成方案。具体系统原理图如图所示。
3 计算与设计
3.1滤波器参数计算
基于题目的设计要求，设计实现了高通和低通滤波。高通滤波器有关参数计算公式为：
3.2滤波器设计实现
滤波器设计采用CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器芯片MAX262，通过单片机控制MAX262的精确滤波器函数，可构成多种带通、低通、高通、带阻、全通滤波器。MAX262芯片有4种工作模式，具体设计中根据设计要求，采用模式1和模式3，其中模式1工作于低通方式，模式3工作于高通方式。下面对模式1和模式3进行简单介绍。
模式1：可构成巴特沃思、切比雪夫、贝塞尔滤波器实现全极点低通和带通滤波器。由于相对极零点位置固定，仅可以构成二阶带阻滤波器，此模式支持高时钟频率。
模式3：此模式能构成高通滤波器，其最大输入时钟频率小于模式1中采用的频率。
滤波器设计的主要步骤如下：
第一步，采用Maxim公司提供的设计软件，根据所需滤波器的类型及最佳极点数计算出每个二阶单元的中心频率f0和品质因数Q值。如不采用设计软件，可根据参考文献[2]中的公式进行计算，本次设计中未采用该软件，采用查表计算。第二步，根据第一步计算出的f0和Q值计算出每个二阶单元编程系数N（对应于f0和Q有两个值），并选择输入时钟频率和滤波器运行模式M。第三步，通过W78E58控制器的端口将编程系数N和M送入滤波器。第四步，为了获得理想的二阶状态变量响应，在设计中保证了较大的输入时钟频率与滤波器中心频率比（fclk/f0）。计算公式如下：
fclk/fo=(26+N1)π/2Q=64/（128-N）
4 程序设计
整个系统的程序代码量比较大(包括VHDL代码和C代码)，下面仅对关键代码实现进行说明。幅频特性：利用微控器控制FPGA发出脉冲的频率进行扫频，同时利用AD977对黑盒系统的输入输出采样；同时在软件上采用线性拟合，并结合限幅滤波及中位值滤波显示幅频特性波形；滤波和频率步进：微控器通过光耦控制固态继电器，以实现利用MAX262进行相应的滤波。
5 滤波器信号输出测试
将FPGA产生指定频率的测试信号送入待测滤波器的输入端，滤波器的输出端接示波器的输入端，检测接收到的信号是否符合预期的值，测试结果见表1。
6 结束语
本滤波器可分别设置为低通、高通滤波器，其-3dB截至频率在1KHz～20KHz按1KHz步进可调，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。电压增益与截止频率的误差均小于10%。测试结果表明，本设计方案是可行和成功的。
参考文献：
[1]2007年全国大学生电子设计大赛：D题题目.
[2]边春远，王志强.MCS-51单片机应用开发实用子程序[M].北京：人民邮电出版社，2005.
[3]杨恒，李爱国，王辉，王新安.FPGA/CPLD最新实用技术指南[M].北京：清华大学出版社，2005.
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