摘? 要: 分析了開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器的“共振”現象及其產生機理。針對該現象提出了解決辦法,并結合信號處理儀器系統給出了采用MAX293制作抗混濾波器的方案。?

　　關鍵詞: 開關電容濾波器? “共振”現象? 抗混? 編程?

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　　在信號處理儀器的硬件系統中抗混濾波器是一重要的部件。根據信號分析的要求,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以內的信號特征,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。設計時,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、換檔不便、體積太大、不甚實用。而集成開關電容濾波器發展很快,生產公司不少,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(1)可知,如截止頻率為1kHz,則到1.5kHz處,信號衰減了80dB^[1],接近理想的低通濾波器,這是由橢圓濾波的特點所決定的。實測的波特圖(幅頻特性" title="幅頻特性">幅頻特性)也有相似結果。但在試制過程中,發現該濾波器有“共振”現象,以下就此現象試作分析。?

1 開關電容濾波器的“共振”現象?

　　在用NW1232低頻頻率特性測試儀測試MAX293的幅頻特性時,發現屏幕上除了預期的幅頻特性之外,在采樣頻率及其整數倍的頻率處具有窄帶通形狀的峰值,其高度達到甚至超過了前面幅頻特性平坦部分的最大值。也就是說,當輸入信號頻率等于采樣頻率或為采樣頻率的整數倍時,出現了這一現象。此現象從未見文獻報導過,暫時稱之為“共振”現象,如在使用中對其不加處理,則將嚴重干擾有用信號。為了弄清原因,重復作了試驗。采取自動掃描、手動掃描、變采樣頻率后掃描等方法,該現象始終如期而至。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”現象的解釋?

　　用模擬低通濾波器做實驗,當然不存在此現象。因此,原因必然在于具有采樣環節的開關電容上。在開關電容濾波器中,當開關頻率(即采樣頻率、時鐘頻率)大大大于信號頻率時(文獻(2)指出,一般要大于20倍),開關電容等效于模擬阻容濾波器中的電阻,可推導出,其等效電阻其中C為電容,f_c為開關頻率^[3]。通過分析得到,當信號頻率和采樣頻率同頻時,就會出現如圖1所示的現象。?

　　圖中輸入信號vi為正弦波(方波也一樣),1、2……為同頻采樣信號。在相位適當的時候(如圖1所示),開關電容濾波器的電容上將出現輸入信號的峰值。相位的不同,采樣到的值也不同,但各采樣點所采樣的值是相同的。因此在采樣電容上產生一個直流信號,使濾波器輸出一個直流電平。當觀察幅頻特性時,在輸入信號與采樣信號同頻且相位合適時,就出現了上述所謂的“共振”現象。而且其后的低通模擬濾波器對此無能為力。同理,當信號頻率為采樣頻率的整數倍時,顯然也會出現相同的現象。?

3 試驗結果?

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

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

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　　為了去除“共振”現象,要限制輸入信號的范圍,使之小于采樣頻率。因此采用集成開關電容低通濾波器(如MAX293一類)時,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有效的排除在外才行。?

4 基于MAX293的實用抗混濾波器?

　　集成開關電容濾波器體積小、階數高、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合。其缺點是本身有開關噪聲,尤其是存在上述的“共振”現象。因此在使用時,要根據不同的要求,采取必要的措施。現以采用MAX293制作抗混濾波器為例予以說明。?

　　圖3為信號處理儀器硬件框圖。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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　　根據界面上測量顯示信號的大小,用PC機上的鍵盤選取量程程控放大器的放大倍數,以得到幅度合適的信號。MAX293濾波器前后,接有兩個可編程模擬低通濾波器,它們有同步的三個可編程轉折頻率,由PC機給出地址,切換到不同值的濾波電容來實現。用MAX293濾波器前的雙二階可編程模擬低通濾波器消除“共振”現象,用后邊的二階低通濾波器消除采樣頻率信號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折頻率為100Hz、1kHz、10kHz三檔,它們能將相應于f_c及其以上的信號諧波排除在外。MAX293的不同截止頻率是由PC機通過改變f_c而得到的。所有模擬濾波器設計成Butterworth濾波器。本硬件系統及相應的軟件系統已銷售多套,并于2001年11月通過由機械工業技術發展基金會組織的鑒定。?

參考文獻?

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

2 陸達明.開關電容濾波器的原理及設計.北京:科學出版社,1986:23～27?