摘? 要: 分析了開關(guān)電容濾波器" title="開關(guān)電容濾波器">開關(guān)電容濾波器的“共振”現(xiàn)象及其產(chǎn)生機(jī)理。針對(duì)該現(xiàn)象提出了解決辦法,并結(jié)合信號(hào)處理儀器系統(tǒng)給出了采用MAX293制作抗混濾波器的方案。?

　　關(guān)鍵詞: 開關(guān)電容濾波器? “共振”現(xiàn)象? 抗混? 編程?

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　　在信號(hào)處理儀器的硬件系統(tǒng)中抗混濾波器是一重要的部件。根據(jù)信號(hào)分析的要求,抗混濾波器的截止頻率" title="截止頻率">截止頻率范圍控制在10Hz～20kHz。為了提高信號(hào)的頻率分辨率,要求抗混濾波器的帶寬是可變的。比如要分析100Hz以內(nèi)的信號(hào)特征,該低通濾波器" title="低通濾波器">低通濾波器的帶寬最好選為100Hz。設(shè)計(jì)時(shí),按1、2、4、5倍乘的原則,將20kHz頻率范圍分成14檔不同帶寬來處理。若采用一般的模擬低通濾波器必然電路繁復(fù)、換檔不便、體積太大、不甚實(shí)用。而集成開關(guān)電容濾波器發(fā)展很快,生產(chǎn)公司不少,器件目前已系列化。它改變截止頻率非常方便,只要程控不同的采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率即可。因此,選擇8階開關(guān)電容橢圓低通濾波器MAX293作抗混濾波器用。理論上8階低通濾波器適合于制作抗混濾波器,其截止頻率后的衰減為160dB/10倍頻,由文獻(xiàn)(1)可知,如截止頻率為1kHz,則到1.5kHz處,信號(hào)衰減了80dB^[1],接近理想的低通濾波器,這是由橢圓濾波的特點(diǎn)所決定的。實(shí)測(cè)的波特圖(幅頻特性" title="幅頻特性">幅頻特性)也有相似結(jié)果。但在試制過程中,發(fā)現(xiàn)該濾波器有“共振”現(xiàn)象,以下就此現(xiàn)象試作分析。?

1 開關(guān)電容濾波器的“共振”現(xiàn)象?

　　在用NW1232低頻頻率特性測(cè)試儀測(cè)試MAX293的幅頻特性時(shí),發(fā)現(xiàn)屏幕上除了預(yù)期的幅頻特性之外,在采樣頻率及其整數(shù)倍的頻率處具有窄帶通形狀的峰值,其高度達(dá)到甚至超過了前面幅頻特性平坦部分的最大值。也就是說,當(dāng)輸入信號(hào)頻率等于采樣頻率或?yàn)椴蓸宇l率的整數(shù)倍時(shí),出現(xiàn)了這一現(xiàn)象。此現(xiàn)象從未見文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)過,暫時(shí)稱之為“共振”現(xiàn)象,如在使用中對(duì)其不加處理,則將嚴(yán)重干擾有用信號(hào)。為了弄清原因,重復(fù)作了試驗(yàn)。采取自動(dòng)掃描、手動(dòng)掃描、變采樣頻率后掃描等方法,該現(xiàn)象始終如期而至。為了濾去該“高頻干擾”,在MAX293電路之后,接上模擬低通濾波器。然而不管接二階低通還是四階低通模擬濾波器,其輸出仍然存在該“干擾”,而且幅值無任何減小。?

2 “共振”現(xiàn)象的解釋?

　　用模擬低通濾波器做實(shí)驗(yàn),當(dāng)然不存在此現(xiàn)象。因此,原因必然在于具有采樣環(huán)節(jié)的開關(guān)電容上。在開關(guān)電容濾波器中,當(dāng)開關(guān)頻率(即采樣頻率、時(shí)鐘頻率)大大大于信號(hào)頻率時(shí)(文獻(xiàn)(2)指出,一般要大于20倍),開關(guān)電容等效于模擬阻容濾波器中的電阻,可推導(dǎo)出,其等效電阻其中C為電容,f_c為開關(guān)頻率^[3]。通過分析得到,當(dāng)信號(hào)頻率和采樣頻率同頻時(shí),就會(huì)出現(xiàn)如圖1所示的現(xiàn)象。?

　　圖中輸入信號(hào)vi為正弦波(方波也一樣),1、2……為同頻采樣信號(hào)。在相位適當(dāng)?shù)臅r(shí)候(如圖1所示),開關(guān)電容濾波器的電容上將出現(xiàn)輸入信號(hào)的峰值。相位的不同,采樣到的值也不同,但各采樣點(diǎn)所采樣的值是相同的。因此在采樣電容上產(chǎn)生一個(gè)直流信號(hào),使濾波器輸出一個(gè)直流電平。當(dāng)觀察幅頻特性時(shí),在輸入信號(hào)與采樣信號(hào)同頻且相位合適時(shí),就出現(xiàn)了上述所謂的“共振”現(xiàn)象。而且其后的低通模擬濾波器對(duì)此無能為力。同理,當(dāng)信號(hào)頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時(shí),顯然也會(huì)出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。?

3 試驗(yàn)結(jié)果?

　　為了證實(shí)上述的分析,采用如圖2(a)所示的一階低通濾波器作了試驗(yàn)。圖中v_i為正弦波輸入,φ₁,φ₂為兩相脈沖作采樣開關(guān)信號(hào),v_o為輸出信號(hào)。?

　　在低頻特性測(cè)試儀上測(cè)試,φ₁、φ₂的頻率f_φ為10kHz,除了在近100Hz處轉(zhuǎn)折的低通幅頻特性外,在10kHz、20kHz處,出現(xiàn)了峰值。此處f_φ即為上述的開關(guān)頻率f_c,其與低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率的關(guān)系,取決于圖2(a)中的C₁和C₂之比值。此時(shí)用電壓表測(cè)量v_o為直流電壓4V,用晶體管毫伏表測(cè)得輸入信號(hào)值為2.8V。從而證實(shí)了上述分析。?

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　　為了去除“共振”現(xiàn)象,要限制輸入信號(hào)的范圍,使之小于采樣頻率。因此采用集成開關(guān)電容低通濾波器(如MAX293一類)時(shí),在其前面,必須要增加模擬低通濾波器,把采樣頻率及其以上的高頻信號(hào)有效的排除在外才行。?

4 基于MAX293的實(shí)用抗混濾波器?

　　集成開關(guān)電容濾波器體積小、階數(shù)高、衰減沿陡、改變通帶寬度非常方便,因此用途十分廣泛,特別是在要求有不同帶寬的場(chǎng)合。其缺點(diǎn)是本身有開關(guān)噪聲,尤其是存在上述的“共振”現(xiàn)象。因此在使用時(shí),要根據(jù)不同的要求,采取必要的措施?，F(xiàn)以采用MAX293制作抗混濾波器為例予以說明。?

　　圖3為信號(hào)處理儀器硬件框圖。其中,MAX293及其前后的模擬低通濾波器一起,組成通帶可編程抗混濾波器。?

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　　根據(jù)界面上測(cè)量顯示信號(hào)的大小,用PC機(jī)上的鍵盤選取量程程控放大器的放大倍數(shù),以得到幅度合適的信號(hào)。MAX293濾波器前后,接有兩個(gè)可編程模擬低通濾波器,它們有同步的三個(gè)可編程轉(zhuǎn)折頻率,由PC機(jī)給出地址,切換到不同值的濾波電容來實(shí)現(xiàn)。用MAX293濾波器前的雙二階可編程模擬低通濾波器消除“共振”現(xiàn)象,用后邊的二階低通濾波器消除采樣頻率信號(hào)f_c所引起的噪聲。由于MAX293從10Hz～20kHz分成14檔,其截止頻率與采樣頻率f_c之比值為1:100^[1],所以模擬濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為100Hz、1kHz、10kHz三檔,它們能將相應(yīng)于f_c及其以上的信號(hào)諧波排除在外。MAX293的不同截止頻率是由PC機(jī)通過改變f_c而得到的。所有模擬濾波器設(shè)計(jì)成Butterworth濾波器。本硬件系統(tǒng)及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)已銷售多套,并于2001年11月通過由機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金會(huì)組織的鑒定。?

參考文獻(xiàn)?

1 Maxim Integrated Products 1992. www.icbase.com?

2 陸達(dá)明.開關(guān)電容濾波器的原理及設(shè)計(jì).北京:科學(xué)出版社,1986:23～27?