张淑娥,王 丹

(华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003)

0 引言

近几十年来,滤波器作为一种通用设备,广泛应用于通信与信号处理功能中,比如滤波、复用/解复用 、调制、开关 、延时、门电路 、放大 、路由、传感和波长计算等方面。滤波器的种类和频段范围根据应用环境的不同也呈现多样性,如低通、高通、带通和带阻滤波器[1]。因此根据具体的应用需要,如何精确、简洁、灵活、低成本地设计滤波器变的尤其重要。

该文介绍一种基于MAX274芯片,设计频率高达150 kHz的滤波器设计方法。该设计中的芯片使不同类型滤波器的设计非常灵活、精确度高,整个设计只有微型芯片和少量电阻组成,成本低、器件简洁、易实现、便于安装,具有广泛的应用前景[2]。

1 MAX274性能及原理

MAX274芯片是美国MAXIM公司开发的8阶、连续时间及有源滤波器芯片,该芯片最高中心设计频率可达150 kHz[3]。集成化后的二阶节较之由运放和R、C电路组成的二阶节,外接元件少,参数调节方便,不受运放的频、相影响,对电路杂散电容也有更优的抗干扰性。

一片MAX274芯片包含4个互相独立的二阶滤波单元,每个二阶滤波单元通过配置外接的4个电阻,就可以组成各种高阶、有源、低通、高通及带通滤波器[4]。

为了便于分析,现在就其中的一个连续滤波单元构成滤波器的原理进行推导。

图1中,每个滤波单元外接4个电阻R1,R2,R3,R4,其余元件封装在芯片内,并有准确参数,其中R5=R6=50 kΩ,R7=5 kΩ,C1=C2=79.5 pF,每个滤波单元有5个功能管脚,分别为定义输入(INPUT)、带通输入(BPI)、带通输出(BPO)、低通输入(LPI)和低通输出(LPO)。

图1 单一模块原理

根据虚地和虚短的概念,得图1中结点①的电流关系为：

因为R5=R6,U2=UO,结点②的电流关系为：

结点③：

因此,当f0,Q都设定好以后,R1,R2,R3,R4就可以被设计确定了,这样可以根据给定的具体指标,根据式(4)可以方便快捷地设汁出满足性能要求的滤波器,用来组成1个8阶带通滤波器。

2 软件设计

该方案可以借助设计软件进行设计,省去了利用公式计算的复杂性,进一步简化了滤波器的设计。

该文以设计了中心频率 f0=125 kHz,带宽为10 kHz的带通滤波器为例介绍软件设计的方法和经验[5]。该软件设计滤波器的过程主要包括2大步骤：①由滤波器指标确定极点、Q值和零点;②完成滤波器在MAX274硬件上的实现[6]。

第①步主要设定滤波器所需达到的性能指标,选择滤波类型;中心频率,设置为125 kHz;Fbw、Fsw为通带和阻带带宽,设置为10 kHz、40kHz;在滤波器阶数设置栏,设置Bessel函数型滤波器的阶数为8阶,以充分利用芯片,节约成本,优化滤波器性能[7]。

第②步则是完成滤波器在MAX274硬件上的实现。首先加载步骤一的结果,然后选择Fc引脚的连接方式、芯片型号;在设置过程中若发现R2,R3和R4大于2 M,就需要将其变换成T型电阻网络,以免导致F0和Q的误差大大增加;记录滤波器设计的最终结果,如表1所示。

表1 滤波器电路参数

按照表1中记录的电阻值,搭建了实际电路,电路图如图2所示。

图2 滤波器电路

可见,通过设计软件,可以方便地设计出所要求的滤波器,同时该软件还提供了频率响应曲线,可以直观地看出该滤波器的幅频特性是否满足设计的要求,使基于MAX274的滤波器设计更加简便。

3 滤波器特性检验

为检验该设计方案搭建的滤波器性能,采用稳态正弦激励试验的办法进行了频谱特性测试。即用可调电源对滤波器进行供电,DDS信号发生器做信号源,并用双踪示波器进行了测试,测试系统如图3所示。

图3 测试系统

首先由信号发生器对滤波器输出一定幅度的正弦信号 x(t)=x0sin(wt),然后不断由小到大改变滤波器输入信号频率,并记录滤波器输入和输出信号电压的幅值数据,这样通过对数据的分析就可以得到滤波器在整个频率段上的幅频特性[8]。

为了清楚观察所设计滤波器的频谱特性,该实验对关于中心频率对称的频率点进行记录,并对这些离散点进行了最小二乘拟合[9],结果如图4所示。

图4 数据拟合

对拟合曲线求一阶导数,使一阶导数等于零的点即是滤波器滤波点。结果表明,滤波器的中心频率为125.000 2 kHz,分别在120 kHz和130 kHz频率点处信号功率衰减了将近一半,即3 dB带宽为10 kHz,阻带带宽为40 kHz,阻带衰减为40 dB,与理论值有0.2%的误差,该设计在允许的误差范围内,满足设计要求[10]。

4 结束语

该文介绍了单片集成有源滤波器芯片MAX274的内部结构,并对芯片构成滤波器的原理进行了推导。在此基础上,应用设计软件设计了一个中心频率为125 kHz的八阶Bessel函数有源带通滤波器,并做成电路板。通过对设计的滤波器做频谱特性检测实验,证明用该方案设计的滤波器精确度高,误差在0.2%之内;设计灵活性强;整个设计只有微型芯片和少量电阻组成,器件简单易集成,成本低,可用于工程实践。

[1]马红星,贾世旺,陈焕东.Ku波段模拟转发器的设计[J].无线电通信技术,2010,36(4)：46-47,64.

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[4]周俊,刘立柱.基于MAX274的有源带通滤波器设计[J].电子工程师,2002,28(12)：47-49.

[5]梁贵书.电路理论基础[M].北京：中国电力出版社,2007.

[6]董晋峰,张伟玉,张国雄.基于MAX274的有源低通滤波器设计[J].天津农学院学报,2008,15(1)：32-34.

[7]王清芬,马延爽.耦合系数法设计微波带通滤波器及CAD实现[J].无线电通信技术,2008,34(1)：43-44,55.

[8]高艳艳,杨雪霞,周建永.新型CPS型低通滤波器在整流天线中的应用[J].无线电工程,2010,40(9)：32-33,61.

[9]李强,吴顺君.级联积分梳状滤波器与DSP的实现[J].无线电通信技术,2005,31(3)：21-22,25.

[10]胡广书.现代信号处理教程[M].北京：清华大学出版社,2004.