張淑娥,王 丹

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北保定071003)

0 引言

近幾十年來(lái),濾波器作為一種通用設(shè)備,廣泛應(yīng)用于通信與信號(hào)處理功能中,比如濾波、復(fù)用/解復(fù)用 、調(diào)制、開(kāi)關(guān) 、延時(shí)、門(mén)電路 、放大 、路由、傳感和波長(zhǎng)計(jì)算等方面。濾波器的種類(lèi)和頻段范圍根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同也呈現(xiàn)多樣性,如低通、高通、帶通和帶阻濾波器[1]。因此根據(jù)具體的應(yīng)用需要,如何精確、簡(jiǎn)潔、靈活、低成本地設(shè)計(jì)濾波器變的尤其重要。

該文介紹一種基于MAX274芯片,設(shè)計(jì)頻率高達(dá)150 kHz的濾波器設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)中的芯片使不同類(lèi)型濾波器的設(shè)計(jì)非常靈活、精確度高,整個(gè)設(shè)計(jì)只有微型芯片和少量電阻組成,成本低、器件簡(jiǎn)潔、易實(shí)現(xiàn)、便于安裝,具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

1 MAX274性能及原理

MAX274芯片是美國(guó)MAXIM公司開(kāi)發(fā)的8階、連續(xù)時(shí)間及有源濾波器芯片,該芯片最高中心設(shè)計(jì)頻率可達(dá)150 kHz[3]。集成化后的二階節(jié)較之由運(yùn)放和R、C電路組成的二階節(jié),外接元件少,參數(shù)調(diào)節(jié)方便,不受運(yùn)放的頻、相影響,對(duì)電路雜散電容也有更優(yōu)的抗干擾性。

一片MAX274芯片包含4個(gè)互相獨(dú)立的二階濾波單元,每個(gè)二階濾波單元通過(guò)配置外接的4個(gè)電阻,就可以組成各種高階、有源、低通、高通及帶通濾波器[4]。

為了便于分析,現(xiàn)在就其中的一個(gè)連續(xù)濾波單元構(gòu)成濾波器的原理進(jìn)行推導(dǎo)。

圖1中,每個(gè)濾波單元外接4個(gè)電阻R1,R2,R3,R4,其余元件封裝在芯片內(nèi),并有準(zhǔn)確參數(shù),其中R5=R6=50 kΩ,R7=5 kΩ,C1=C2=79.5 pF,每個(gè)濾波單元有5個(gè)功能管腳,分別為定義輸入(INPUT)、帶通輸入(BPI)、帶通輸出(BPO)、低通輸入(LPI)和低通輸出(LPO)。

圖1 單一模塊原理

根據(jù)虛地和虛短的概念,得圖1中結(jié)點(diǎn)①的電流關(guān)系為：

因?yàn)镽5=R6,U2=UO,結(jié)點(diǎn)②的電流關(guān)系為：

結(jié)點(diǎn)③：

因此,當(dāng)f0,Q都設(shè)定好以后,R1,R2,R3,R4就可以被設(shè)計(jì)確定了,這樣可以根據(jù)給定的具體指標(biāo),根據(jù)式(4)可以方便快捷地設(shè)汁出滿足性能要求的濾波器,用來(lái)組成1個(gè)8階帶通濾波器。

2 軟件設(shè)計(jì)

該方案可以借助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),省去了利用公式計(jì)算的復(fù)雜性,進(jìn)一步簡(jiǎn)化了濾波器的設(shè)計(jì)。

該文以設(shè)計(jì)了中心頻率 f0=125 kHz,帶寬為10 kHz的帶通濾波器為例介紹軟件設(shè)計(jì)的方法和經(jīng)驗(yàn)[5]。該軟件設(shè)計(jì)濾波器的過(guò)程主要包括2大步驟：①由濾波器指標(biāo)確定極點(diǎn)、Q值和零點(diǎn);②完成濾波器在MAX274硬件上的實(shí)現(xiàn)[6]。

第①步主要設(shè)定濾波器所需達(dá)到的性能指標(biāo),選擇濾波類(lèi)型;中心頻率,設(shè)置為125 kHz;Fbw、Fsw為通帶和阻帶帶寬,設(shè)置為10 kHz、40kHz;在濾波器階數(shù)設(shè)置欄,設(shè)置Bessel函數(shù)型濾波器的階數(shù)為8階,以充分利用芯片,節(jié)約成本,優(yōu)化濾波器性能[7]。

第②步則是完成濾波器在MAX274硬件上的實(shí)現(xiàn)。首先加載步驟一的結(jié)果,然后選擇Fc引腳的連接方式、芯片型號(hào);在設(shè)置過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)R2,R3和R4大于2 M,就需要將其變換成T型電阻網(wǎng)絡(luò),以免導(dǎo)致F0和Q的誤差大大增加;記錄濾波器設(shè)計(jì)的最終結(jié)果,如表1所示。

表1 濾波器電路參數(shù)

按照表1中記錄的電阻值,搭建了實(shí)際電路,電路圖如圖2所示。

圖2 濾波器電路

可見(jiàn),通過(guò)設(shè)計(jì)軟件,可以方便地設(shè)計(jì)出所要求的濾波器,同時(shí)該軟件還提供了頻率響應(yīng)曲線,可以直觀地看出該濾波器的幅頻特性是否滿足設(shè)計(jì)的要求,使基于MAX274的濾波器設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。

3 濾波器特性檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)該設(shè)計(jì)方案搭建的濾波器性能,采用穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)試驗(yàn)的辦法進(jìn)行了頻譜特性測(cè)試。即用可調(diào)電源對(duì)濾波器進(jìn)行供電,DDS信號(hào)發(fā)生器做信號(hào)源,并用雙蹤示波器進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)

首先由信號(hào)發(fā)生器對(duì)濾波器輸出一定幅度的正弦信號(hào) x(t)=x0sin(wt),然后不斷由小到大改變?yōu)V波器輸入信號(hào)頻率,并記錄濾波器輸入和輸出信號(hào)電壓的幅值數(shù)據(jù),這樣通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析就可以得到濾波器在整個(gè)頻率段上的幅頻特性[8]。

為了清楚觀察所設(shè)計(jì)濾波器的頻譜特性,該實(shí)驗(yàn)對(duì)關(guān)于中心頻率對(duì)稱(chēng)的頻率點(diǎn)進(jìn)行記錄,并對(duì)這些離散點(diǎn)進(jìn)行了最小二乘擬合[9],結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)擬合

對(duì)擬合曲線求一階導(dǎo)數(shù),使一階導(dǎo)數(shù)等于零的點(diǎn)即是濾波器濾波點(diǎn)。結(jié)果表明,濾波器的中心頻率為125.000 2 kHz,分別在120 kHz和130 kHz頻率點(diǎn)處信號(hào)功率衰減了將近一半,即3 dB帶寬為10 kHz,阻帶帶寬為40 kHz,阻帶衰減為40 dB,與理論值有0.2%的誤差,該設(shè)計(jì)在允許的誤差范圍內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求[10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文介紹了單片集成有源濾波器芯片MAX274的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并對(duì)芯片構(gòu)成濾波器的原理進(jìn)行了推導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為125 kHz的八階Bessel函數(shù)有源帶通濾波器,并做成電路板。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的濾波器做頻譜特性檢測(cè)實(shí)驗(yàn),證明用該方案設(shè)計(jì)的濾波器精確度高,誤差在0.2%之內(nèi);設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng);整個(gè)設(shè)計(jì)只有微型芯片和少量電阻組成,器件簡(jiǎn)單易集成,成本低,可用于工程實(shí)踐。

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