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开关电容滤波器的“共振”现象及解决方案

在信号处理仪器的硬件系统中抗混滤波器是一重要的部件。根据信号分的的要 求,抗混滤波器的截止频率范围控制在10Hz~20kHz。为了提高信号的频率分辨率

在信号处理仪器的硬件体系中抗混滤波器是一重要的部件。依据信号分的的要 求,抗混滤波器的截止频率规模控制在10Hz~20kHz。为了进步信号的频率分辨率,要求抗混滤波器的带宽是可变的。比如要剖析100Hz以内的信号特征,该低通滤波器的带宽最好选为100Hz。规划时,按1、2、4、5倍乘的准则,将20kHz频率规模分红14档不同带宽来处理。若选用一般的模仿低通滤波器有必要电路繁复、换档不便利、体积太大、不甚有用。用集成开关电容滤波器开展很快,出产公司不少,器材现在已系列化。它改动截止频率非常便利,只需程近不同的采样频率即可。因而,挑选8阶开关电容椭圆低通滤波器MAX293作抗混滤波器用。理论上8阶低通滤波器适合于制造抗混滤波器,其截止频率后的衰减为160dB/10倍频,由文献(1)可知,如截止频率为1kHz,则到1.5kHz处,信号衰减了80dB[1],挨近抱负的低通滤波器,这是由椭圆滤波的特色所决议的。实测的滤特图(幅频特性)也有类似成果。但在试制过程中,发现该滤波器有“共振”现象,以下就此现象试作剖析。

1 开关电容滤波器的“共振”现象

在用NW1232低频频率特性测验M AX293的幅频特性时,发现屏幕上除了预期的幅频特性之外,在采样频率及其整数倍的频率处具有窄带通形状的峰值,其高度到达乃至超过了前面幅频特性平整部分的最大值。也就是说,当输入信号频率等于采样频率或为采样频率的整数倍时,呈现了这一现象。此现象从未见文献报道过,暂时称之为“共振”现象,如在运用中对其不加处理,则将严峻搅扰有用信号。为了弄清原因,重复作了实验。采纳主动扫描、手动扫描、变采样频率后扫描等办法,该现象一直按期而至。为了滤去该“高频搅扰”,在MAX293电路之后,接上模仿低通滤波器。但是不论接二除低通仍是四阶低通模仿滤波器,其输出依然存在该“搅扰”,并且幅值无任何减小。

2 “共振”现象的解说

用模仿低通滤波器做实验,当然不存在此现象。因而,原因必定在于具有采样环节的开关电容上。在开关电容滤波器中,当开关频率(即采样频率、时钟频率)大大于信号频率时(文献(2)指出,一般要大于20倍),开关电容等效于模仿阻容滤波器中的电阻,可推导出,其等效电阻R=1/(C·fc),其间C为电容,fc为开关滤波[3]。经过剖析得到,当信号频率和采频率同频时,就会呈现如图1所示的现象。

图中输入信号vi为正弦波(方波也相同),1、2……为同频采样信号。在相位恰当的时分(如图1所示),开关电容滤波器的电容大将呈现输入信号的峰值。相位的不同,采样到的值也不同,但各采样点所采样的值是相同的。因而在采样电容上发生一个直流信号,使流波器输出一个直流电平。当调查幅频特性时,在输入信号与采样信号同频且相位合当令,就呈现了上述所谓的“共振”现象。并且这以后的低通模仿滤波器对此力不从心。同理,当信号频率为采样频率的整数倍时,明显也会呈现相同的现象。

3 实验成果

为了证明上述的剖析,选用如图2(a)所示的一阶低通滤波器作了度验。图中vi为正弦波输入,φ1,φ2为两相脉冲作采样开关信号,vo为输出信号。

在低频特性测验仪上测验,φ1、φ2的频率fφ为10kHz,除了在近100Hz处转机的低通幅频特性外,在10kHz、20kHz处,呈现了峰值。此处fφ即为上述的开关频率fc,其与低通滤波器的转机频率的联系,取决于图2(a)中的C1和C2之比值。此刻用电压表丈量vo为直流电压4V,用晶体管毫伏表测得输入信号值为2.8V。然后证明了上述剖析。

为了去除“共振”现象,要约束输入信号的规模,使之小于采样频率。因而选用集成开关电容低通滤波器(如MAX293一类)时,在其前面,有必要要添加模仿低通滤波器,把采样频率及其以上的高频信号有用的扫除在外才行。

4 依据MAX293的有用抗混滤波器

集成开关电容滤波器体积小、阶数高、衰减沿陡、改动通带宽度非常便利,因而用处非常广泛,特别是在要求有不同带宽的场合。其缺陷是自身有开关噪声,尤其是存在上述的“共振”现象。因而在运用时,要依据不同的要求,采纳必要的办法。现以选用MAX293制造抗混滤波器为例予以阐明。

图3为信号处理仪器硬件框图。其间,MAX293及其前后的模仿低通滤波器一同,组成通带可编程抗混滤波器。

依据界面上丈量显现信号的巨细,用PC机上的键盘选取量程程控扩大器的扩大倍数,以得到起伏适宜的信号。AMX293滤波器前后,接有两个可编程模仿低通滤波器,它们有同步的三个可编程转机频率,由PC机给出地址,切换到不同值 的滤波电容来完成。用MAX293滤波器前的双二阶可编程模仿低通滤波器消除“共振”现象,用后边的二阶低通滤波器消除采样频率信号fc所引起的噪声。因为MAX293从10z~20kHz分红14档,其截止频率与采样频率fc之比值为1:100[1],所以模仿滤波器的转机频率为100Hz、1kHz、10kHz三档,它们能将盯应于fc及其以上的信号谐滤扫除在外。MAX293的不同截止频率是由PC机经过改动fc而得到的。一切模仿滤波器规划成Butterworth滤波器。本硬件体系及相应的软件体系已出售多套,并于2001年11月经过由机械工业技术开展基金会安排的判定。

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