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摘要：电路分析是电气信息及相关专业学生的专业核心课程。本文提出一种基于可编程滤波器和微控制器的电路分析综合设计实验项目。上位机给微控制器发送指令，驱动微控制器的GPIO端口和定时器对可编程滤波器进行配置，可以得到不同类型、中心频率以及带宽的滤波器。该项目同时涉及模拟电路和数字电路的相关知识，能够让学生直观理解信号频率特性、综合锻炼学生的滤波器设计、微控制器编程等动手实践能力。
关键词：可编程滤波器;微控制器;电路分析课程;综合设计实验
一、 电路分析综合设计实验要求
电路分析是电气信息及相关专业学生的专业核心课程，是后续电类课程的基础。作为一门理论和实践相结合的课程，电路分析实验能够让学生更深入地理解课程知识，同時提高学生的动手实践能力。
实验课程的前面部分一般安排基础的相对独立的电路实验，例如伏安特性实验、谐振电路频率特性实验、模拟滤波器实验等。综合设计实验相当于一个小的设计项目，一般安排在实验课程的后面部分。
学生有了基本的电路知识和实验操作经验之后，通过综合设计实验，能够融会贯通所学知识，进一步提升动手实践能力。
二、 可编程滤波器和微控制器的综合设计实验装置
针对以上电路分析实验要求，本文提出一种基于可编程滤波器和微控制器的综合设计实验，通过采用数字集成电路的方法可让学生加深对信号频率特性的理解，掌握信号通频带、品质因数等参数的物理意义。
（一） 可编程滤波器
可编程滤波器是一种能够通过微控制器编程实现不同类型、中心频率以及带宽的滤波器，是一种有源滤波器。相比于传统的由RLC基本元件构成的无源滤波器，可编程滤波器具有元器件少、方便可调、容易控制等优点。在本实验中选用Maxim公司的双通道通用开关电容有源滤波器芯片Max261，其可实现64步可调的中心频率控制、128步可调的品质因子控制，中心频率可达57kHz。
该滤波器可以配置为五种滤波器类型，即低通、高通、带通、全通和带阻。不同滤波器类型输出由不同管脚控制。
在类型确定之后，滤波器的中心频率和带宽可以通过编程配置频率比N和品质因子Q实现。频率比N=fCLK/f0，其中fCLK为输入外部时钟频率，f0为滤波器中心频率。品质因子Q可以调节滤波器带宽，例如对于带通滤波器，其上下截止频率fH和fL可由下式计算：
fH=f012Q 12Q2 1（1）
fL=f0-12Q 12Q2 1（2）
式中Q=f0/B为品质因子，B=fH – fL为-3dB带宽。采用微控制器对滤波器的频率比N和品质因子Q参数进行配置，即可实现滤波器参数调节。
（二） 微控制器
本设计实验中，需要微控制器实现对滤波器指令发送和对上位机指令接收，微控制器选用的是意法半导体公司的32位、168MHz主频的STM32F407。
实验中，需要用到STM 32的三种外设模块，分别为普通输入输出端口（GPIO），定时器（Timer），和串口（USART）。其中7个GPIO连接Max261的WR、A0-A3、D0、D1共7个端口。WR为低电平有效的读写信号;A1-A3为地址，指向两个通道的滤波器的模式、频率和品质因子参数;D0和D1是要读写的数据，通过移位的方式逐位推入Max261。Timer产生频率可调的占空比为50%的PWM信号为滤波器提供时钟信号。
（三） 上位机
为了方便在线更改滤波器参数，本实验通过上位机串口给STM32发送指令。如果上位机有RS232的9针串口，则可以通过Max3232芯片进行电平转换和STM32通信。
如果上位机没有RS232串口，可以通过FT232芯片实现USB转串口和STM32通信。STM32通过串口中断接收上位机指令，实时将指令译码通过子程序配置Max261。
三、 实验过程
本节通过一个f0=2kHz，-3dB上下截止频率fH和fL分别为2250Hz和1750Hz的带通滤波器的例子来进一步介绍实验过程。
根据Max261的数据手册，可以选用N=100.53的频率比，计算出来的时钟频率为201.06kHz，该时钟信号由STM32的Timer产生。由fH和fL可得带宽B=500Hz，则Q=f0/B=4。将N和Q的值通过STM32的GPIO口配置给Max261即可获得符合要求的滤波器。
随后，为了直观地显示滤波器的滤波效果，利用函数发生器产生一个多频正弦混合信号，即s（t）=sin（2πf1t） sin（2πf2t） sin（2πf3t），其中f1，f2，f3分别为1750Hz，2000Hz，2250Hz。将该信号输入Max261的IN端口同时把
示波器的CH1表笔连接该端口，再把示波器的CH2表笔接到Max261的带通滤波输出（BP）端口，同时把示波器的频谱分析功能打开，调整合适的频率尺度范围。
从CH1的频谱上可以看到1750Hz，2000Hz，2250Hz三根高度一样的谱线。s（t）经过带通滤波后，中心频率2000Hz的谱线能量不变，其他频率的谱线能量将被衰减。从CH2的频谱上可见1750Hz和2250Hz的谱线高度明显低于2000Hz的谱线高度，谱线高度降低至原来的0.707倍（-3dB），该结果说明带通滤波器已经被正确配置能够正常工作。
进一步地，可以通过上位机串口给STM32发送指令，改变滤波器中心频率和带宽以测试可编程滤波器性能。在时钟频率和品质因子Q不变的情况下，增加频率比N的值，中心频率f0将降低，从CH2频谱上将看到1750Hz谱线的高度逐渐增加、2000Hz和2250Hz谱线高度逐渐降低，该结果说明了带通滤波器的中心频率在降低。
将频率比N调整回100.53并固定，即f0=2000Hz，提高Q值，将看到2000Hz的谱线高度不变，1750Hz和2250Hz的谱线高度逐渐降低，说明f0不变的情况下提高Q值，滤波器的带宽将变窄。
学生可以通过上位机串口给STM32发指令改变滤波器的类型和其他参数，通过滤波器上的频谱分析观察滤波器的性能和输出效果，并记录滤波器的参数和输入输出信号频谱的关系，做成定量分析的实验表格。
此外，Max261内置两个二阶滤波器，如果单个滤波器不能满足需求，例如需要设置特定的最大通带纹波和最小阻带衰减等。这时可以将两个滤波器级联形成四阶滤波器以满足更高的设计要求。
四、 结论
本文提出了一种基于可编程滤波器和微控制器的电路分析综合设计实验。该实验能够让学生更直观深入地理解滤波器和信号频率分析中的带宽、品质因子等概念，提高对模拟电路和数字电路的设计能力和编程实践能力。
参考文献：
[1]周茜，徐亚宁.《电路分析基础》课程教学设计的创新与实践[J].桂林电子工业学院学报，2004（04）：113-116.
[2]张保华，郑伟.电工电子实验教学体系的建设与探索[J].实验室研究与探索，2004（03）：74-76.
[3]钟福元.MAX260/261/262系列可编程滤波器的原理及应用[J].实用电子文摘，1994（03）：42-47 27.
作者简介：
王骁贤，张保华，安徽省合肥市，安徽大学电子信息工程学院。
关键词：可编程滤波器;微控制器;电路分析课程;综合设计实验
一、 电路分析综合设计实验要求
电路分析是电气信息及相关专业学生的专业核心课程，是后续电类课程的基础。作为一门理论和实践相结合的课程，电路分析实验能够让学生更深入地理解课程知识，同時提高学生的动手实践能力。
实验课程的前面部分一般安排基础的相对独立的电路实验，例如伏安特性实验、谐振电路频率特性实验、模拟滤波器实验等。综合设计实验相当于一个小的设计项目，一般安排在实验课程的后面部分。
学生有了基本的电路知识和实验操作经验之后，通过综合设计实验，能够融会贯通所学知识，进一步提升动手实践能力。
二、 可编程滤波器和微控制器的综合设计实验装置
针对以上电路分析实验要求，本文提出一种基于可编程滤波器和微控制器的综合设计实验，通过采用数字集成电路的方法可让学生加深对信号频率特性的理解，掌握信号通频带、品质因数等参数的物理意义。
（一） 可编程滤波器
可编程滤波器是一种能够通过微控制器编程实现不同类型、中心频率以及带宽的滤波器，是一种有源滤波器。相比于传统的由RLC基本元件构成的无源滤波器，可编程滤波器具有元器件少、方便可调、容易控制等优点。在本实验中选用Maxim公司的双通道通用开关电容有源滤波器芯片Max261，其可实现64步可调的中心频率控制、128步可调的品质因子控制，中心频率可达57kHz。
该滤波器可以配置为五种滤波器类型，即低通、高通、带通、全通和带阻。不同滤波器类型输出由不同管脚控制。
在类型确定之后，滤波器的中心频率和带宽可以通过编程配置频率比N和品质因子Q实现。频率比N=fCLK/f0，其中fCLK为输入外部时钟频率，f0为滤波器中心频率。品质因子Q可以调节滤波器带宽，例如对于带通滤波器，其上下截止频率fH和fL可由下式计算：
fH=f012Q 12Q2 1（1）
fL=f0-12Q 12Q2 1（2）
式中Q=f0/B为品质因子，B=fH – fL为-3dB带宽。采用微控制器对滤波器的频率比N和品质因子Q参数进行配置，即可实现滤波器参数调节。
（二） 微控制器
本设计实验中，需要微控制器实现对滤波器指令发送和对上位机指令接收，微控制器选用的是意法半导体公司的32位、168MHz主频的STM32F407。
实验中，需要用到STM 32的三种外设模块，分别为普通输入输出端口（GPIO），定时器（Timer），和串口（USART）。其中7个GPIO连接Max261的WR、A0-A3、D0、D1共7个端口。WR为低电平有效的读写信号;A1-A3为地址，指向两个通道的滤波器的模式、频率和品质因子参数;D0和D1是要读写的数据，通过移位的方式逐位推入Max261。Timer产生频率可调的占空比为50%的PWM信号为滤波器提供时钟信号。
（三） 上位机
为了方便在线更改滤波器参数，本实验通过上位机串口给STM32发送指令。如果上位机有RS232的9针串口，则可以通过Max3232芯片进行电平转换和STM32通信。
如果上位机没有RS232串口，可以通过FT232芯片实现USB转串口和STM32通信。STM32通过串口中断接收上位机指令，实时将指令译码通过子程序配置Max261。
三、 实验过程
本节通过一个f0=2kHz，-3dB上下截止频率fH和fL分别为2250Hz和1750Hz的带通滤波器的例子来进一步介绍实验过程。
根据Max261的数据手册，可以选用N=100.53的频率比，计算出来的时钟频率为201.06kHz，该时钟信号由STM32的Timer产生。由fH和fL可得带宽B=500Hz，则Q=f0/B=4。将N和Q的值通过STM32的GPIO口配置给Max261即可获得符合要求的滤波器。
随后，为了直观地显示滤波器的滤波效果，利用函数发生器产生一个多频正弦混合信号，即s（t）=sin（2πf1t） sin（2πf2t） sin（2πf3t），其中f1，f2，f3分别为1750Hz，2000Hz，2250Hz。将该信号输入Max261的IN端口同时把
示波器的CH1表笔连接该端口，再把示波器的CH2表笔接到Max261的带通滤波输出（BP）端口，同时把示波器的频谱分析功能打开，调整合适的频率尺度范围。
从CH1的频谱上可以看到1750Hz，2000Hz，2250Hz三根高度一样的谱线。s（t）经过带通滤波后，中心频率2000Hz的谱线能量不变，其他频率的谱线能量将被衰减。从CH2的频谱上可见1750Hz和2250Hz的谱线高度明显低于2000Hz的谱线高度，谱线高度降低至原来的0.707倍（-3dB），该结果说明带通滤波器已经被正确配置能够正常工作。
进一步地，可以通过上位机串口给STM32发送指令，改变滤波器中心频率和带宽以测试可编程滤波器性能。在时钟频率和品质因子Q不变的情况下，增加频率比N的值，中心频率f0将降低，从CH2频谱上将看到1750Hz谱线的高度逐渐增加、2000Hz和2250Hz谱线高度逐渐降低，该结果说明了带通滤波器的中心频率在降低。
将频率比N调整回100.53并固定，即f0=2000Hz，提高Q值，将看到2000Hz的谱线高度不变，1750Hz和2250Hz的谱线高度逐渐降低，说明f0不变的情况下提高Q值，滤波器的带宽将变窄。
学生可以通过上位机串口给STM32发指令改变滤波器的类型和其他参数，通过滤波器上的频谱分析观察滤波器的性能和输出效果，并记录滤波器的参数和输入输出信号频谱的关系，做成定量分析的实验表格。
此外，Max261内置两个二阶滤波器，如果单个滤波器不能满足需求，例如需要设置特定的最大通带纹波和最小阻带衰减等。这时可以将两个滤波器级联形成四阶滤波器以满足更高的设计要求。
四、 结论
本文提出了一种基于可编程滤波器和微控制器的电路分析综合设计实验。该实验能够让学生更直观深入地理解滤波器和信号频率分析中的带宽、品质因子等概念，提高对模拟电路和数字电路的设计能力和编程实践能力。
参考文献：
[1]周茜，徐亚宁.《电路分析基础》课程教学设计的创新与实践[J].桂林电子工业学院学报，2004（04）：113-116.
[2]张保华，郑伟.电工电子实验教学体系的建设与探索[J].实验室研究与探索，2004（03）：74-76.
[3]钟福元.MAX260/261/262系列可编程滤波器的原理及应用[J].实用电子文摘，1994（03）：42-47 27.
作者简介：
王骁贤，张保华，安徽省合肥市，安徽大学电子信息工程学院。