基于MAX274的低通濾波器設計方法

王 偉，鄧秀華，張 恒

（1. 中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

多種海洋環境要素構成的海戰場環境是提高海上戰斗力并使武器裝備保持優勢的關鍵所在，為了利用深海聲道（DSC）和可靠聲道取得良好的探測效果，一般需要將聲吶或探測器布放在很大的深度上。大深度水聲測量潛標將聲換能器陣列與水文采集設備結合，布放在深海聲道之下更深處，不但能夠長期定點采集深海水文信息，而且可實現遠距離不同方位對目標信號的連續測量與處理，具有很高的海域適用性。大深度水聲測量潛標，要求其既能適應水下裝備研制過程中對海洋背景噪聲的急迫測量需求，又要能遠距離探測低噪聲艦艇并實時給出報警信號。水聲測量處理系統的主要目的是通過對水平陣列和垂直陣列以及立體陣列的聲信號處理，預報聲吶性能，實現特定區域和水深的聲場空間結構和時間變異的測量與分析，并且遠距離探測諸如潛艇等微弱水聲信號，研究艦船輻射噪聲平面與立體空間特性，其研究成果能直接為水雷、預置式武器等水中兵器服務。該測量系統主要技術指標：工作頻率小于10 kHz，垂直陣水聽器陣列陣元數16元，圓環陣陣元數16元，通道間幅度一致性小于2 dB，相位一致性小于2°，采集存儲時間大于100 h，值班時間大于6個月。

基于 DSP的水聲參數測量裝置已經成為現在研究的熱點，如何去除帶外干擾噪聲、提高信號采集的質量、準確獲取目標特征是設計的一個難題[1]。目前，多數測量裝置的前置模擬低通濾波器仍然由運算放大器和電阻、電容來實現。一般來說，具有較大R值的R、C濾波器是比較理想的，它不會產生明顯的諧振[2]，但在信號頻率為幾千赫茲以上或傳輸率為kb/s以上的電路中，高R值是不適合的[3]；而且當工作頻率較高時，元件周圍的雜散電容將會嚴重影響濾波器的特性[4]；由于階數高，使用的元器件也比較多，還會造成濾波器參數調整困難；最終設計的低通濾波器效果不是很好。MAXIM公司推出的MAX274為4通道單片集成，只需外接電阻，就可以設計出所需的 Butterworth、Bessel和Chebyshev濾波器，其受雜散電容影響小，體積小，軟件設計界面易操作，是一款難得的實現多路、高階模擬濾波器的芯片[5]。

1 MAX274簡介與工作原理

MAX274是一款連續時間有源濾波器設計芯片，內部由4個獨立、可級聯的二階濾波單元構成，單個二階濾波單元電路結構如圖1所示。最高中心設計頻率可達150 kHz，最后一個運放輸入端的5 K電阻將積分電容與外管腳的寄生電阻隔離，大大提高了濾波器極點的精度[6]。單個二階濾波單元其中心頻率 F0、品質因素Q、帶通增益HOBP、低通增益HOLP均可由其外接電阻R1～R4的設計來確定[7]。通過配置各單元外接電阻的阻值，可以設計出最高八階（只能為偶數階）有源的低通、帶通、帶阻和高通濾波器。

圖1 MAX274內部二階濾波單元Fig.1 MAX274 internal second-order filter unit

MAX274芯片具有以下優點[8]：

1）只需外接電阻，硬件設計簡單且受雜散電容影響小；

2）Maxim公司提供免費的濾波器設計軟件，無需復雜的計算；

3）芯片為連續時間濾波器，無時鐘噪聲，總諧波失真典型值為-86 dB；

4）放大倍數可調，軟件調整參數簡便易懂。

根據濾波單元原理圖，單個二階濾波單元通過外接4個電阻設計，其余元件封裝在芯片內，并有準確參數。其中心頻率 F0、品質因素 Q、低通增益HOLP、低通系統函數G（S）OLP與外接電阻之間的關系如式（1）-（4）所示[9]。

根據以上關系式，且有R4=R2-5k，則可得R1、R2、R3電阻值，芯片引腳 FC為工作方式及頻率選擇。當FC接高電平時，RX/RY 取值為4/1；當FC接地時，RX/RY 取值為 1/5；當 FC接低電平時，RX/RY 取值為1/25。

通過調整外接的幾個電阻，可以組成各種高階有源低通濾波器，如 Butterworth、Chebyshev、Bessel和Elliptic等。

巴特沃斯濾波器作為迄今為止用得最多的濾波器，其幅頻響應在通帶內非常平坦，過渡帶的衰減速度比巴塞爾濾波器要快，在阻帶范圍內響應沒有波紋[10]，所以非常適合作為數據在采集系統中的使用。

2 Butterworth低通濾波器設計

MAXIM 公司為 MAX274提供了免費的濾波器設計軟件，可以通過軟件快速計算出所需濾波器各個二階濾波單元的4個外接電阻的阻值。本文以設計截止頻率 F0=10 kHz的低通濾波器為例介紹濾波器設計軟件的使用和設計經驗。

1）運行濾波器設計軟件FILTER.exe后按任意鍵進入軟件主界面，如圖2所示。

圖2 設計軟件主界面Fig.2 Main interface of design software

2）選擇第一選項，進入濾波器參數設置界面，如圖3所示。設置類型（Type）為低通（Lowpass），低通濾波器以 Butterworth濾波器最佳，其通帶內最為平坦，MAX274芯片濾波單元階數（order）為二階，通帶最大衰減（Amax）設置為3 dB，同時阻帶最小衰減（Amin）變為12.285 dB，中心頻率設置為10 kHz。參數設置完成后，按ESC鍵返回圖2的主界面，選擇第二項，進行MAX274外接電阻的設計。

圖3 濾波器參數設置界面Fig.3 Parameter setting interface of filter

3）按L鍵加載剛剛設置的參數，可以看到各個二階濾波單元設計完畢，如圖4所示。按[Ctrl+G]可以設置帶通增益，本設計為14 dB。

圖4 二階濾波單元參數設置界面Fig.4 Parameter setting interface of second-order filter unit

4）按R鍵可以查看單個二階濾波單元的電路圖，如圖 5所示，當外接電阻阻值過大時（一般以4 MΩ為上限），需要接成T型網絡或者更改芯片FC引腳的連接方式（一般連接至GND）。導出各二階單元的電阻，可以進行后續的仿真驗證和電路制作。

圖5 二階濾波單元電路圖Fig.5 Circuit diagram of second-order filter unit

3 電路實現

一般來說，濾波器止帶處的特性曲線變化陡峭，二階節的Q 值較大，求出的電阻值一般也比較大；而中間部分的二階節則Q 值較小，曲線平緩。合理地分配各個中心頻率、品質因數非常重要，它將直接影響到濾波器的結構復雜程度，甚至最終的濾波效果。根據本設計要求，低通濾波器截止頻率F0為10 kHz，增益14 dB，在通帶內有良好的平坦度，在接近截止帶產生快速的衰減。本文將2個濾波器單元進行級聯來實現，根據設計軟件得到的該4階低通濾波器的設計參數如表1所示。

表1 低通濾波器設計參數Table 1 Design parameters of low-pass filter

在求出各個電阻值后，不要急著將它設計成電路，可以先通過MATHEMATIC或者是MATLAB等仿真軟件，對濾波器的頻譜進行仿真。觀察不同的外接電阻值對整個頻帶的影響，以求得最佳的濾波特性。由表1參數根據MATLAB繪圖，得到濾波器的頻率相應曲線，如圖6所示。可以看出，設計的四階Butterworth低通濾波器，在10 kHz通帶內增益為14～15 dB，帶外衰減可達-80 dB/10倍頻程，仿真結果滿足性能設計要求。

圖6 低通濾波器頻率特性仿真曲線Fig.6 Frequency characteristic simulation curve of low-pass filter

設計出低通濾波器電路圖如圖7所示。利用丹麥 B&K公司推出的噪聲、振動多分析儀系統PULSE version 12對搭建出來的多通道、四階Butterworth低通濾波器進行測試，用寬帶掃頻（10 Hz ～ 20 kHz）方式測得各濾波器單元電路的幅頻特性。經測試，設計的低通濾波器在通帶內增益15 dB，8 kHz內幅度波動小于1 dB，帶外衰減-16 dB/2倍頻程，與仿真特性一致。系統不同通道間的相位差在±1°以內，滿足通帶內平坦性好、通道間一致性高的技術要求。

圖7 低通濾波器電路圖Fig.7 Circuit diagram of low-pass filter

該電路應用于水聲測量潛標，在南海海域與某型水聲發射潛標進行了聯合試驗，發射潛標信號為：30 s單頻+2 s間隔+30 s調頻+2 s間隔+30 s白噪聲，有效發射時間90 s，連續重復發射4次。測量潛標數據記錄儀獲得的結果如圖8顯示：在發射信號時刻，系統采集到發射潛標發射的完全相同4組信號，單組信號中，依次發射的 30 s單頻信號頻率：450 Hz，30 s調頻信號為正調頻，頻率從350 Hz變化到約700 Hz，頻譜最大的頻率為500 Hz，與標準的發射潛標的發射信號頻率一致，相對誤差≤1%。結果進一步說明了采用MAX274設計的巴特沃斯低通濾波器達到了預期的濾波效果。

圖8 接收的濾波信號Fig.8 Received filtered signal

4 結束語

該設計方案已應用于某大深度潛標水聲測量系統中，在南海海域與某型聲吶進行了聯合試驗，準確采集并記錄了聲吶的頻譜特征，成功解決了目標因環境噪聲等外部干擾原因而不能準確測量的問題。系統在6個月的值班時間內，完成了對試驗海域的海洋噪聲環境監測。實際應用結果證明：采用 MAX274設計的巴特沃斯低通濾波器達到了預期的濾波效果，其結構簡單、性能可靠、應用前景廣泛。