2024年4月3日发(作者：拓跋昊英)

第

19

卷

Vol.19

第

4

期

电子设计工程

No.4ElectronicDesignEngineering

2011

年

2

月

Feb.2011

基于MSP430和MAX262程控滤波器的设计

何明，乔龙飞，许朋

（武汉大学电子信息学院，湖北武汉

430079

）

摘要：随着手持设备的广泛应用，为了满足系统设备的低功耗要求，设计了基于单片机

MSP430

、数字频率源

LTC6903

、开关电容滤波芯片

MAX262

的低功耗程控滤波器。系统采用单片机控制数字频率源芯片

LTC6903

提供步

进可调的时钟信号，以实现对滤波器截止频率的灵活调节和滤波类型的转换。该系统改善了传统有源滤波器器件参

数设计困难，截止频率等参数难以灵活控制和调节的问题。与传统有源滤波器相比，可以完成低通、高通、带通、陷波

功能的转换，滤波器

Q

值范围

0.5~8

程控调节，截止频率在

100Hz~40kHz

之间

100Hz

步进可调。此外，系统在

3.3V

的供电条件以及单片机的

ShutDown

模式下，比一般的程控滤波器具有更低的功耗。

关键词：可编程；开关电容滤波器；单片机；幅频特性测试

中图分类号：

TN713

文献标识码：

A

文章编号

：1674－6236

（

2011

）

04-0179-03

DesignofprogrammablefilterbasedonMSP430andMAX262

HEMing

，

QIAOLong-fei

，

XUPeng

（

SchoolofElectronicInformation

，

WuhanUniversity

，

Wuhan430079

，

China

）

Abstract:Withthewidelyapplicationofportabledevices

，

inordertomeetthelowpowerconsumptiondemandofsystems

equipment

，

alow-powerprogrammablefilterwasdesignedbasedonmicrocontrollerMSP430

，

digitalfrequencysourcechip

stemuseddigitalfrequencysourcechipLTC6903

toprovideanadjustableclock

，

whichreatemhad

overcometheparameterdesignproblemsoftraditionalactivefilters

，

andtheproblemofthatflexiblecut-offfrequencyand

edwiththetraditionalactivefilter

，

italsohasfunctionalshiftoflowpass

，

high

pass

，

ofthefilterisprogrammablefrom0.5to8

，

andcutofffrequencyisadjustablefrom100Hz~

tion

，

withthe3.3VpowersupplyconditionandtheMCUShutDownmode

，

thissystemhaslowerpower

consumptionthanthecommonone.

Keywords:programmable

；

switched-capacitorfilter

；

microcontroller

；

amplitude-frequencytest

在电子系统中，滤波器是数据采集、信号处理等方面不

可缺少的重要环节，如信号采集前的噪声滤除，

D/A

转换输出

的“阶梯状”滤波等等。一般的有源滤波器由运算放大器、

RC

元件组成，但这种滤波器的截止频率、

Q

值等参数都是固定

不变的，在某些信号频率动态范围较宽的场合就不适宜使

用。因此，有必要采取多种截止频率的滤波器，如程控滤波

器，对动态范围较宽的信号进行滤波。美国

Maxim

公司生产

的可编程滤波器芯片

MAX262

可以通过编程进行各种参数

的设置，实现低通、高通、带通、陷波等处理，且滤波的特性参

数如中心频率、品质因素等，均可以通过程序设置

[1]

。

本文介绍以低功耗单片机

MSP430F449

为控制核心，通

过凌特公司数字频率源芯片

LTC69034

产生时钟信号精确控

制

MAX262

，以及其与外围电路构成能实现多种功能的新颖

滤波器系统的设计。本设计最大特点在于数字频率源

耗功能，当系统超过一定时间没信号输入时程序可以自动关

闭

CPU

进入节能省电模式

[2]

。

1

系统设计方案

系统方案设计如图

1

所示，

VCA810

程控放大器作为信

号输入的前级放大，其增益由单片机控制

D/A

芯片

TLV5616

输出电压来调节，步进精度可达

1dB

，范围在

-40~40dB

。滤

波模块以可编程芯片

MAX262

作为核心，通过单片机

MSP430

和

LTC69034

程控时钟信号芯片进行截止频率的低

步进调节以及品质因素的智能控制。

本设计的特点之一在于

MSP430

具有低功耗性能，当系

统末级超过一定时间没有检测到信号输入时，程序将自动关

闭

CPU

并处于低功耗状态，直到有信号输入为止。这样的设

计能使系统更为节能，防止无用地消耗能源。此外，系统附加

了幅频特性测试模块，扫频信号由

AD

公司的

AD9851

来产

生，频率步进精确到

1kHz

。当信号从被测网络输出后通过

LTC6903

与

MAX262

的结合使用，以及

MSP430

具有的低功

收稿日期：

2010-09-18

稿件编号：

201009061

作者简介：何明（

1988

—），男，广东广州人。研究方向：电子信息工程。

－179－

《电子设计工程》

2011

年第

4

期

AD637

检测到有效值，再采用

MSP430F449

内部集成的

A/D

模块进行采样处理，最后驱动双口

D/A

在液晶显示幅频特性

曲线。

2.2

图

1

系统设计原理框图

滤波器模块

MAX262

具有

A

、

B

两个二阶开关电容有源滤波器，它由

单片机精确控制滤波函数即可构成低通、高通、带通、带阻等

滤波器，且有外围电路少、功能强大的优点。

MAX262

可在程

序控制下设置中心频率

f

0

，品质因素

Q

以及滤波器的工作方

式。截止频率调节可有两种方式，方案

1

是固定

f

CLK

与

f

0

的比

率，改变

f

CLK

来调节；方案

2

是外部电路采用固定晶振给

CLK

时钟，改变

f

CLK

与

f

0

的比率关系来调节。由于系统要实现低步

进调节，故采用前者方案。

如图

3

所示，为了得到稳定的时钟信号源，本设计采用

凌特公司

LTC69034

产生可控的时钟信号给

MAX262

的

Fig.1Blockdiagramofsystemdesign

2

2.1

硬件电路

前级放大模块

系统前级采用

VCA810

程控放大芯片，该芯片具有

-40~

40dB

增益连续可调的放大功能，其增益可由单片机控制

D/A

芯片

TLV5616

输出电压

V

C

给

VCA810

的

3

号引脚来调节，

具体增益与电压的关系为：

G

（

db

）

=-40

·（

V

C

+1

）

dB

。

如图

2

所示，信号输入系统经过同相放大后输出给后级，

由于

VCA810

具有较宽的增益调节，对输入信号幅度要求较

小，可以根据实际的信号大小来控制放大器的增益倍数，因此

本系统可以用于小信号的滤波。此外，

VCA810

的带宽为

25MHz

，

故输入的信号可以达到较高的频率，大致可实现宽带的放大

滤波功能。在调试过程中，由于

VCA810

控制引脚对噪声要

求较高，尤其

3

号

GAIN

引脚对电压波动范围需要在

mV

级

别以内，因此必须在靠近

VCA810

的

3

号脚加上钽电容

10

CLKA

与

CLKB

引脚。其输出时钟频率由以下公式决定：

f=

·

2

oct

2078/

（

2-DAC/1024

）

Hz

。由于

LTC69034

输出频率步进

精度高，时钟信号幅频非常稳定，在高频段可达到

10kHz

的

步进。假设需要固定

MAX262

的

f

CLK

与

f

0

比率为

100.53

倍关

系，故滤波器截止频率可在

100Hz~40kHz

之间以

100Hz

为

连续步进调节。

此外，在调试过程中发现若直接将

MSP430

控制信号与

μF

与

0.1μF

并联进行去耦，否则输出的信号效果比较差。

MAX262

连接，会对滤波器输出信号带来较大的噪声影响，因

－180－

此在本设计中在

MSP430

与滤波器之间加上一级

74HC573

作为缓冲器，片选引脚

OE

由

WR

来控制，这样滤波器输出的

信号效果得到了大大改善

[3]

。

2.3

幅频特性测试模块

本系统附加了幅频特性测试扩展功能

[4]

，如图

4

所示为

该模块的原理框图。当选择幅频特性测试菜单后，

MSP430

驱

动

DDS

集成芯片

AD9851

产生正弦信号进行扫频，经过被测

网络后再由有效值检测电路进行测量。由于二极管峰值检波

电路在低频段无法测试，故本设计采用集成芯片

AD637

进行

有效值检波

[5]

，该芯片可在较低频率段精确测量，最高频率可

达到

8MHz

，完全满足设计要求，检波模块输出后经过单片

机内部集成

A/D

模块采样后，再由

MSP430

驱动双口

D/A

芯

片

TLV5618

输出并在液晶显示幅频特性曲线。

图

4

幅频特性测试模块原理框图

Fig.4Blockdiagramoffrequencycharacteristicstestmodule

3

软件设计

本系统设计的软件流程如图

5

所示，上电后

MSP430

开

始从系统末级通过

AD

采样判断是否有信号输入。当经过一

定时间仍没有信号时，程序将关闭

CPU

，进入低功耗模式；若

测得有信号输入则利用单片机驱动液晶显示

Mode

功能菜

单，等待输入选择滤波器类型、前级程控放大器增益倍数以

及滤波器的

Q

值、截止频率等各种参数，通过计算后对

MAX262

传输中心频率与品质因素数据。若用户开始菜单选

择幅频特性测试仪，则由

MSP430

程序驱动

AD9851

产生扫

频信号，经过被测网络后再由

MSP430F449

内部集成

A/D

模

块采样有效值

AD637

的输出，通过计算并显示采样结果，得

出幅频特性曲线，并在液晶上显示

[6]

。

4

系统性能测试

1

）幅频特性测试模块性能测试

单片机控制

9851

产生扫频信号，通过示波器观察滤波

器幅频特性，将实测结果与幅频特性测试模块所得到的结果

相比较，截止频率在

100Hz~40kHz

之间幅频特性测试误差

在

1%

以内。

2

）

Q

值调节测试

Q

值可由编程数据

Q

0

~Q

7

控制，每个数据对应一个不同

的

Q

值，在

100Hz~40kHz

之间设置不同的截止频率，改变

编程数据

Q

0

~Q

7

，然后通过幅频特性测试算得

Q

值与理论值

误差在

2%

以内。

3

）截至频率控制性能测试

通过改变

MAX262

的时钟信号频率

f

CLK

和频率控制字

N

来实现，设

N

为固定值，则截止频率由时钟频率

f

CLK

决定，

f

CLK

由

MSP430

单片机控制数字频率源

LTC69034

产生。经试验

证明，

LTC69034

输出频率步进精度高，在高频段也可以达到

10kHz

的步进，固定

MAX262

的

f

CLK

与

f

0

比率为

100.53

倍关

系，测得滤波器的截止频率可以在

100Hz~40kHz

之间以

100Hz

为连续步进调节，误差小于

1%

。

4

）功耗测试

在实际电路系统功耗测试，整个系统在工作状态下功耗

小于

60mW

，低功耗模式下功耗小于

10mW

，极大地降低了

系统功耗。此款低功耗程控滤波器满足手持式装置的低功耗

要求，因此在现实设备中具有较大的应用前景。

5

结束语

本系统基于

MSP430F449

单片机完成对可编程滤波器

MAX262

的控制，能很好地实现各种有源滤波器的设计工作。

这种程控滤波器使用灵活、工作稳定、信号输出效果好，使用

者可根据实际需要自行设置滤波器的

Q

值、截止频率、工作方

式等。系统采用

LTC69034

可控时钟芯片，让滤波器的截止频

率可以

100Hz

低步进调节，适用范围更广。前级程控放大器

可达到

40dB

的最大增益，故本设计可以输入较小的信号，且

最小增益步进精度可为

1dB

，可由使用者自定设置。系统还扩

展了幅频特性测试模块并在液晶显示特性曲线。此外，

MSP430

具有低功耗特点，在系统超过一定时间不工作时可自行关闭

CPU

以节能省电，这也是本设计的最大特点之一。

参考文献：

[1]

阿瑟·

B

·威廉姆斯

.

电子滤波器设计手册

[M].

喻春轩，译

.

北

京

:

电子工业出版社，

2007.

[2]

沈建华，杨艳琴，瞿骁曙

.MSP430

系列

16

位超低功耗单片

机原理与应用

[M].

北京：清华大学出版社，

2004.

[3]

邓重一

.

基于可编程芯片

MAX262

的有源滤波器

[J].

单片机

与嵌入式系统应用，

2005

（

5

）：

44-46.

dfilterbasedonprogrammablechip

MAX262[J].

Microcontrollers&EmbeddedSystem

，

2005

（

5

）

:44-46.

[4]

黄根春，陈小桥

.

电子设计教程

[M].

北京：电子工业出版社，

2008.

[5]

黄智伟

.

全国大学生电子设计竞赛系统设计

[M].

北京：北京

航空航天大学出版社，

2006.

[6]

马忠梅

.

单片机的

C

语言应用程序设计

[M].

北京：北京航空

航天大学出版社，

2008.

2024年4月3日发(作者：拓跋昊英)

第

19

卷

Vol.19

第

4

期

电子设计工程

No.4ElectronicDesignEngineering

2011

年

2

月

Feb.2011

基于MSP430和MAX262程控滤波器的设计

何明，乔龙飞，许朋

（武汉大学电子信息学院，湖北武汉

430079

）

摘要：随着手持设备的广泛应用，为了满足系统设备的低功耗要求，设计了基于单片机

MSP430

、数字频率源

LTC6903

、开关电容滤波芯片

MAX262

的低功耗程控滤波器。系统采用单片机控制数字频率源芯片

LTC6903

提供步

进可调的时钟信号，以实现对滤波器截止频率的灵活调节和滤波类型的转换。该系统改善了传统有源滤波器器件参

数设计困难，截止频率等参数难以灵活控制和调节的问题。与传统有源滤波器相比，可以完成低通、高通、带通、陷波

功能的转换，滤波器

Q

值范围

0.5~8

程控调节，截止频率在

100Hz~40kHz

之间

100Hz

步进可调。此外，系统在

3.3V

的供电条件以及单片机的

ShutDown

模式下，比一般的程控滤波器具有更低的功耗。

关键词：可编程；开关电容滤波器；单片机；幅频特性测试

中图分类号：

TN713

文献标识码：

A

文章编号

：1674－6236

（

2011

）

04-0179-03

DesignofprogrammablefilterbasedonMSP430andMAX262

HEMing

，

QIAOLong-fei

，

XUPeng

（

SchoolofElectronicInformation

，

WuhanUniversity

，

Wuhan430079

，

China

）

Abstract:Withthewidelyapplicationofportabledevices

，

inordertomeetthelowpowerconsumptiondemandofsystems

equipment

，

alow-powerprogrammablefilterwasdesignedbasedonmicrocontrollerMSP430

，

digitalfrequencysourcechip

stemuseddigitalfrequencysourcechipLTC6903

toprovideanadjustableclock

，

whichreatemhad

overcometheparameterdesignproblemsoftraditionalactivefilters

，

andtheproblemofthatflexiblecut-offfrequencyand

edwiththetraditionalactivefilter

，

italsohasfunctionalshiftoflowpass

，

high

pass

，

ofthefilterisprogrammablefrom0.5to8

，

andcutofffrequencyisadjustablefrom100Hz~

tion

，

withthe3.3VpowersupplyconditionandtheMCUShutDownmode

，

thissystemhaslowerpower

consumptionthanthecommonone.

Keywords:programmable

；

switched-capacitorfilter

；

microcontroller

；

amplitude-frequencytest

在电子系统中，滤波器是数据采集、信号处理等方面不

可缺少的重要环节，如信号采集前的噪声滤除，

D/A

转换输出

的“阶梯状”滤波等等。一般的有源滤波器由运算放大器、

RC

元件组成，但这种滤波器的截止频率、

Q

值等参数都是固定

不变的，在某些信号频率动态范围较宽的场合就不适宜使

用。因此，有必要采取多种截止频率的滤波器，如程控滤波

器，对动态范围较宽的信号进行滤波。美国

Maxim

公司生产

的可编程滤波器芯片

MAX262

可以通过编程进行各种参数

的设置，实现低通、高通、带通、陷波等处理，且滤波的特性参

数如中心频率、品质因素等，均可以通过程序设置

[1]

。

本文介绍以低功耗单片机

MSP430F449

为控制核心，通

过凌特公司数字频率源芯片

LTC69034

产生时钟信号精确控

制

MAX262

，以及其与外围电路构成能实现多种功能的新颖

滤波器系统的设计。本设计最大特点在于数字频率源

耗功能，当系统超过一定时间没信号输入时程序可以自动关

闭

CPU

进入节能省电模式

[2]

。

1

系统设计方案

系统方案设计如图

1

所示，

VCA810

程控放大器作为信

号输入的前级放大，其增益由单片机控制

D/A

芯片

TLV5616

输出电压来调节，步进精度可达

1dB

，范围在

-40~40dB

。滤

波模块以可编程芯片

MAX262

作为核心，通过单片机

MSP430

和

LTC69034

程控时钟信号芯片进行截止频率的低

步进调节以及品质因素的智能控制。

本设计的特点之一在于

MSP430

具有低功耗性能，当系

统末级超过一定时间没有检测到信号输入时，程序将自动关

闭

CPU

并处于低功耗状态，直到有信号输入为止。这样的设

计能使系统更为节能，防止无用地消耗能源。此外，系统附加

了幅频特性测试模块，扫频信号由

AD

公司的

AD9851

来产

生，频率步进精确到

1kHz

。当信号从被测网络输出后通过

LTC6903

与

MAX262

的结合使用，以及

MSP430

具有的低功

收稿日期：

2010-09-18

稿件编号：

201009061

作者简介：何明（

1988

—），男，广东广州人。研究方向：电子信息工程。

－179－

《电子设计工程》

2011

年第

4

期

AD637

检测到有效值，再采用

MSP430F449

内部集成的

A/D

模块进行采样处理，最后驱动双口

D/A

在液晶显示幅频特性

曲线。

2.2

图

1

系统设计原理框图

滤波器模块

MAX262

具有

A

、

B

两个二阶开关电容有源滤波器，它由

单片机精确控制滤波函数即可构成低通、高通、带通、带阻等

滤波器，且有外围电路少、功能强大的优点。

MAX262

可在程

序控制下设置中心频率

f

0

，品质因素

Q

以及滤波器的工作方

式。截止频率调节可有两种方式，方案

1

是固定

f

CLK

与

f

0

的比

率，改变

f

CLK

来调节；方案

2

是外部电路采用固定晶振给

CLK

时钟，改变

f

CLK

与

f

0

的比率关系来调节。由于系统要实现低步

进调节，故采用前者方案。

如图

3

所示，为了得到稳定的时钟信号源，本设计采用

凌特公司

LTC69034

产生可控的时钟信号给

MAX262

的

Fig.1Blockdiagramofsystemdesign

2

2.1

硬件电路

前级放大模块

系统前级采用

VCA810

程控放大芯片，该芯片具有

-40~

40dB

增益连续可调的放大功能，其增益可由单片机控制

D/A

芯片

TLV5616

输出电压

V

C

给

VCA810

的

3

号引脚来调节，

具体增益与电压的关系为：

G

（

db

）

=-40

·（

V

C

+1

）

dB

。

如图

2

所示，信号输入系统经过同相放大后输出给后级，

由于

VCA810

具有较宽的增益调节，对输入信号幅度要求较

小，可以根据实际的信号大小来控制放大器的增益倍数，因此

本系统可以用于小信号的滤波。此外，

VCA810

的带宽为

25MHz

，

故输入的信号可以达到较高的频率，大致可实现宽带的放大

滤波功能。在调试过程中，由于

VCA810

控制引脚对噪声要

求较高，尤其

3

号

GAIN

引脚对电压波动范围需要在

mV

级

别以内，因此必须在靠近

VCA810

的

3

号脚加上钽电容

10

CLKA

与

CLKB

引脚。其输出时钟频率由以下公式决定：

f=

·

2

oct

2078/

（

2-DAC/1024

）

Hz

。由于

LTC69034

输出频率步进

精度高，时钟信号幅频非常稳定，在高频段可达到

10kHz

的

步进。假设需要固定

MAX262

的

f

CLK

与

f

0

比率为

100.53

倍关

系，故滤波器截止频率可在

100Hz~40kHz

之间以

100Hz

为

连续步进调节。

此外，在调试过程中发现若直接将

MSP430

控制信号与

μF

与

0.1μF

并联进行去耦，否则输出的信号效果比较差。

MAX262

连接，会对滤波器输出信号带来较大的噪声影响，因

－180－

此在本设计中在

MSP430

与滤波器之间加上一级

74HC573

作为缓冲器，片选引脚

OE

由

WR

来控制，这样滤波器输出的

信号效果得到了大大改善

[3]

。

2.3

幅频特性测试模块

本系统附加了幅频特性测试扩展功能

[4]

，如图

4

所示为

该模块的原理框图。当选择幅频特性测试菜单后，

MSP430

驱

动

DDS

集成芯片

AD9851

产生正弦信号进行扫频，经过被测

网络后再由有效值检测电路进行测量。由于二极管峰值检波

电路在低频段无法测试，故本设计采用集成芯片

AD637

进行

有效值检波

[5]

，该芯片可在较低频率段精确测量，最高频率可

达到

8MHz

，完全满足设计要求，检波模块输出后经过单片

机内部集成

A/D

模块采样后，再由

MSP430

驱动双口

D/A

芯

片

TLV5618

输出并在液晶显示幅频特性曲线。

图

4

幅频特性测试模块原理框图

Fig.4Blockdiagramoffrequencycharacteristicstestmodule

3

软件设计

本系统设计的软件流程如图

5

所示，上电后

MSP430

开

始从系统末级通过

AD

采样判断是否有信号输入。当经过一

定时间仍没有信号时，程序将关闭

CPU

，进入低功耗模式；若

测得有信号输入则利用单片机驱动液晶显示

Mode

功能菜

单，等待输入选择滤波器类型、前级程控放大器增益倍数以

及滤波器的

Q

值、截止频率等各种参数，通过计算后对

MAX262

传输中心频率与品质因素数据。若用户开始菜单选

择幅频特性测试仪，则由

MSP430

程序驱动

AD9851

产生扫

频信号，经过被测网络后再由

MSP430F449

内部集成

A/D

模

块采样有效值

AD637

的输出，通过计算并显示采样结果，得

出幅频特性曲线，并在液晶上显示

[6]

。

4

系统性能测试

1

）幅频特性测试模块性能测试

单片机控制

9851

产生扫频信号，通过示波器观察滤波

器幅频特性，将实测结果与幅频特性测试模块所得到的结果

相比较，截止频率在

100Hz~40kHz

之间幅频特性测试误差

在

1%

以内。

2

）

Q

值调节测试

Q

值可由编程数据

Q

0

~Q

7

控制，每个数据对应一个不同

的

Q

值，在

100Hz~40kHz

之间设置不同的截止频率，改变

编程数据

Q

0

~Q

7

，然后通过幅频特性测试算得

Q

值与理论值

误差在

2%

以内。

3

）截至频率控制性能测试

通过改变

MAX262

的时钟信号频率

f

CLK

和频率控制字

N

来实现，设

N

为固定值，则截止频率由时钟频率

f

CLK

决定，

f

CLK

由

MSP430

单片机控制数字频率源

LTC69034

产生。经试验

证明，

LTC69034

输出频率步进精度高，在高频段也可以达到

10kHz

的步进，固定

MAX262

的

f

CLK

与

f

0

比率为

100.53

倍关

系，测得滤波器的截止频率可以在

100Hz~40kHz

之间以

100Hz

为连续步进调节，误差小于

1%

。

4

）功耗测试

在实际电路系统功耗测试，整个系统在工作状态下功耗

小于

60mW

，低功耗模式下功耗小于

10mW

，极大地降低了

系统功耗。此款低功耗程控滤波器满足手持式装置的低功耗

要求，因此在现实设备中具有较大的应用前景。

5

结束语

本系统基于

MSP430F449

单片机完成对可编程滤波器

MAX262

的控制，能很好地实现各种有源滤波器的设计工作。

这种程控滤波器使用灵活、工作稳定、信号输出效果好，使用

者可根据实际需要自行设置滤波器的

Q

值、截止频率、工作方

式等。系统采用

LTC69034

可控时钟芯片，让滤波器的截止频

率可以

100Hz

低步进调节，适用范围更广。前级程控放大器

可达到

40dB

的最大增益，故本设计可以输入较小的信号，且

最小增益步进精度可为

1dB

，可由使用者自定设置。系统还扩

展了幅频特性测试模块并在液晶显示特性曲线。此外，

MSP430

具有低功耗特点，在系统超过一定时间不工作时可自行关闭

CPU

以节能省电，这也是本设计的最大特点之一。

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