基于MAX274的濾波器設(shè)計與實現(xiàn)

張淑娥,王 丹

(華北電力大學電氣與電子工程學院,河北保定071003)

0 引言

近幾十年來,濾波器作為一種通用設(shè)備,廣泛應(yīng)用于通信與信號處理功能中,比如濾波、復用/解復用 、調(diào)制、開關(guān) 、延時、門電路 、放大 、路由、傳感和波長計算等方面。濾波器的種類和頻段范圍根據(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、簡潔、靈活、低成本地設(shè)計濾波器變的尤其重要。

該文介紹一種基于MAX274芯片,設(shè)計頻率高達150 kHz的濾波器設(shè)計方法。該設(shè)計中的芯片使不同類型濾波器的設(shè)計非常靈活、精確度高,整個設(shè)計只有微型芯片和少量電阻組成,成本低、器件簡潔、易實現(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MAXIM公司開發(fā)的8階、連續(xù)時間及有源濾波器芯片,該芯片最高中心設(shè)計頻率可達150 kHz[3]。集成化后的二階節(jié)較之由運放和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,不受運放的頻、相影響,對電路雜散電容也有更優(yōu)的抗干擾性。

一片MAX274芯片包含4個互相獨立的二階濾波單元,每個二階濾波單元通過配置外接的4個電阻,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)在就其中的一個連續(xù)濾波單元構(gòu)成濾波器的原理進行推導。

圖1中,每個濾波單元外接4個電阻R1,R2,R3,R4,其余元件封裝在芯片內(nèi),并有準確參數(shù),其中R5=R6=50 kΩ,R7=5 kΩ,C1=C2=79.5 pF,每個濾波單元有5個功能管腳,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①的電流關(guān)系為：

因為R5=R6,U2=UO,結(jié)點②的電流關(guān)系為：

結(jié)點③：

因此,當f0,Q都設(shè)定好以后,R1,R2,R3,R4就可以被設(shè)計確定了,這樣可以根據(jù)給定的具體指標,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,用來組成1個8階帶通濾波器。

2 軟件設(shè)計

該方案可以借助設(shè)計軟件進行設(shè)計,省去了利用公式計算的復雜性,進一步簡化了濾波器的設(shè)計。

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

第①步主要設(shè)定濾波器所需達到的性能指標,選擇濾波類型;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;在設(shè)置過程中若發(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),以免導致F0和Q的誤差大大增加;記錄濾波器設(shè)計的最終結(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,搭建了實際電路,電路圖如圖2所示。

圖2 濾波器電路

可見,通過設(shè)計軟件,可以方便地設(shè)計出所要求的濾波器,同時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)計的要求,使基于MAX274的濾波器設(shè)計更加簡便。

3 濾波器特性檢驗

為檢驗該設(shè)計方案搭建的濾波器性能,采用穩(wěn)態(tài)正弦激勵試驗的辦法進行了頻譜特性測試。即用可調(diào)電源對濾波器進行供電,DDS信號發(fā)生器做信號源,并用雙蹤示波器進行了測試,測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)

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

為了清楚觀察所設(shè)計濾波器的頻譜特性,該實驗對關(guān)于中心頻率對稱的頻率點進行記錄,并對這些離散點進行了最小二乘擬合[9],結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)擬合

對擬合曲線求一階導數(shù),使一階導數(shù)等于零的點即是濾波器濾波點。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頻率點處信號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)計在允許的誤差范圍內(nèi),滿足設(shè)計要求[10]。

4 結(jié)束語

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),并對芯片構(gòu)成濾波器的原理進行了推導。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用設(shè)計軟件設(shè)計了一個中心頻率為125 kHz的八階Bessel函數(shù)有源帶通濾波器,并做成電路板。通過對設(shè)計的濾波器做頻譜特性檢測實驗,證明用該方案設(shè)計的濾波器精確度高,誤差在0.2%之內(nèi);設(shè)計靈活性強;整個設(shè)計只有微型芯片和少量電阻組成,器件簡單易集成,成本低,可用于工程實踐。

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[4]周俊,劉立柱.基于MAX274的有源帶通濾波器設(shè)計[J].電子工程師,2002,28(12)：47-49.

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[10]胡廣書.現(xiàn)代信號處理教程[M].北京：清華大學出版社,2004.