程控滤波器.docx
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程控滤波器
第1章绪论
1.1滤波的原理及其滤波器的结构
1.1.1滤波概念
滤波就是将多种频率的信号经过处理得到想要的单频率的信号，即将有用信号中的杂波信号滤除，或者是将多种信号中的一种频率滤除。
滤波就是利用一些特殊元器件的特性，例如：
电容，电感等，将有用信号取出，所以滤波就出现了电容滤波，电感滤波，混合滤波的概念。
1.1.2滤波器的结构
从滤波的概念出现后，滤波器就开始登上电子的平台，滤波器的结构也经历了多次演变。
1）.根据滤波器的特性和应用场合其结构形式是很多的。
1.从功能上分；低、带、高、带阻。
2.从实现方法上分:
FIR、IIR
3.从设计方法上来分：
Chebyshev（切比雪夫）,Butterworth（巴特沃斯），贝
赛儿滤波（这几种滤波器的适用场合和特性附在论文后）
4.从处理信号分：
经典滤波器、现代滤波器
5.信号形式分：
数字滤波，模拟滤波
6.从利用的元件分：
有源滤波器，无源滤波器
2）.滤波器的结构演变
1.无源滤波器包括无源电容滤波器，无源电感滤波器，无源电感电容混合滤波器以及利用其他电子元件构成的滤波电路（例如，用二极管，三极管等等构成的检波电路如图1-1）
图1-1滤波器的基本结构
2.有源滤波器的结构组成：
由无源的电感，电容组成滤波网络加上有源的运放芯片，其结构如下：
图1-2有源滤波器结构
这是一个典型的二阶有源低通滤波器，其工作原理在这里不详细介绍了。
3.开关电容滤波器的结构组成：
有由MOS电容、开关和运放组成。
其基本结构如下：
图1-3开关电容结构图
开关电容滤波器的基本原理是，电路的两节点间接有带高速开关的电容器，其效果相当于该两节点间连接一个电阻。
图中T1、T2用一个不重叠的两相时钟脉冲来驱动，假定时钟频率fc（=1/Tc）远高于信号频率，那么，在φ1为高电平时，T1
导通而T2截止此时C1与输入信号VI相连，即有：
而在φ2为高电平时，T1截止，T2导通。
于是，C1转接到运放的输入端，此时，C1放电，将C1原来所充电荷QC1传输到C2上。
由此可见，在每一时钟周期Tc内，从信号源中提取的电荷QC1=C1VI供给了积分电容C2。
因此，在节点1、2之间流过的平均电流为
如果Tc足够短，可以近似认为这个过程是连续的，因而由上式可以在两节点间定义一个等效电路Req，即
这样，就可以得到一个等效的积分时间常数
显然，影响滤波器频率响应的时间常数取决于时钟周期Tc和电容比值C2/C1，而与电容的绝对值无关。
在MOS工艺中，电容比值的精度可以控制在0.1%以内。
这样，只要选用合适的时钟频率（如fc=100kHz）和不太大的电容比值（如10），对于低频率应用来说，就可获得合适的时间常数（如10–4s）
4.数字信号软件滤波：
这是利用软件处理信号的手段，利用滤波算法（限副滤波，中位值滤波法，算术平均滤波法，递推平均滤波法，中位值平均滤波法，限幅平均滤波法，一阶滞后滤波法，加权递推平均滤波法，消抖滤波法，限幅消抖滤波法）来对信号进行处理[1]。
1.2滤波器的应用场合
滤波器在电子领域中占有很重要的地位，在其他领域中也相当重要，因此它的应用范围很广，在信号处理，抗干扰处理，电力系统，抗混叠处理等等领域中应用很广。
滤波器不仅在弱电系统中有很广的应用，在强电系统中也有相当广的应用，在强电整流中需要将尖峰脉冲滤除，在可控硅脉冲环节，要防止误脉冲，因此我们也要加防干扰的滤波电路。
1.3滤波器的发展阶段
电容滤波器是由电路元件相互连接构成的一种选频网络。
从1915年Wagner和Campbell分别首次提出滤波器的概念以来，滤波器经历了无源分立RLC元件、集成线性元件/混合集成电路和单片全集成电路的发展历程，取得了长足的进步。
随着滤波器理论的发展，特别是1977年美国加州大学Berkeley分校的学者组成的研究小组集成了第一片单片MOs开关电容滤波器，开关电容滤波器成为了滤波器理论中十分活跃的分支，受到了电路理论工作者和集成电路设计者的广泛关注。
开关电容滤波器（SCF）电路其核心部分由模拟开关、电容器和运算放大器组成，其传输函数系统特性取决于电容容量比的准确性，易于用MOs工艺实现。
因此，70年代末，MOS工艺发展迅速，MOs器件在速度、集成度、相对精度控制和微功率等方面都有独特的优势，为开关电容滤波器电路的迅速发展提供了很好的条件。
国际上，70年代末至80年代中是SCF大发展时期，完成了从原理、结构探讨至工业化过程，并被广泛应用于通讯等领域。
国内在70年代末至80年代初，高校与研究所亦对SCF开发投入了大量人力物力，取得不少成果。
进入90年代后期，高水准工艺线在国内陆续建成，急需系统的开关滤波器设计、分析技术，以便设计具有我国自主知识产权的电子产品。
目前，开关电容滤波器正向着集成度更高，功耗更低以及精度更好的方向发展，出现了很多的新方法来设计低电压、低功耗、低电容比和运放增益灵敏度的SC滤波器。
而随着开关电容滤波器设计技术的日加成熟，开关电容滤波器的应用也更加广泛.从无限通讯到视频应用，再到集成电路设计，开关电容滤波器都越来越多的发挥着重要的作用。
第2章MAX262的结构及工作原理
2.1MAX262的结构
MAX262芯片是采用CMOS工艺制造的双列直插式开关电容通用滤波器（现在也有贴片形式的封装）。
图2-1是它的内部框图。
MAX260/261/262由两个二阶滤波器（A和B两部分）、两个可编程ROM及逻辑接口组成，每个滤波器部分又都包含两个级联的积分器和一个加法器。
图2-1MAX262的内部结构
MAX262引脚排列如图2-2所示，各管脚（管脚分布见图2.1.2）的功能如下:
图2-2MAX262的引脚
V＋：
正电源输入端；V－：
负电源输入端；
GND：
模拟地；
CLKA：
外接晶体振荡器和滤波器A部分的时钟输入端，在滤波器内部，时钟频率被2分频；
CLKB：
滤波器B部分的时钟输入端，同样在滤波器内部，时钟频率被2分频；CLKOUT：
晶体振荡器和R－C振荡的时钟输出端；
OSCOUT：
与晶体振荡器或R－C振荡器相连，用于自同步；
INA，INB：
滤波器的信号输入端；
BPA，BPB：
带通滤波器输出端；
LPA，LPB：
低通滤波器输出端；
HPA，HPB：
高通、带阻、全通滤波器输出端；
：
写入有效输入端.接V＋时，输入数据不起作用；接V－时，数据可通过逻辑接口进入一个可编程的内存之中，以完成滤波器的工作模式、f0及Q的位置。
此外，还可以接收TTL电平信号，并上升沿锁存输入数据；
A0、A1、A2、A3：
地址输入端，可用来完成对滤波器工作模式、f0和Q的相应设置；
D0，D1：
数据输入端，可用来对f0和Q的相应位进行设置。
其时序图见下图（图2.1.5）所示；
OPOUT：
MAX261/262的放大器输出端；
OPIN：
MAX261/262的放大器反向输入端。
2.2MAX262的特性及编程参数
MAX262主要由放大器、积分器、电容切换网络（SCN）和工作模式选择器组成。
积分器、电容切换网络（SCN）和工作模式选择器分别由编程数据M0M1，F0～F5和Q0～Q6控制。
MAX262内部有两个二级滤波器，滤波器A和B可以单独使用，也可级联成四阶滤波器使用。
芯片的使用非常灵活，但它们均受同一组编程数据的控制。
MAX262芯片的工作频率为1Hz～140kHz。
当时钟频率为4MHz，工作模式选择为模式3时，芯片可以对140kHz的输入信号进行滤波处理。
其它工作模式的最高工作频率为100kHz。
滤波器A和B可以采用内部时钟，也可以采用外部时钟。
外部时钟分别从芯片的引脚CLKA、CLKB引入，对外部时钟无占空比要求。
如果要对更低频率的信号进行滤波处理，可采用MAX260芯片，它的工作频率为0.01Hz～7.5kHz。
输入的低频信号可以直接送到MAX260芯片的输入端（即INA或INB引脚），输入信号的幅度范围为0V～+5V。
MAX262芯片有三个编程参数：
中心频率f0、Q值和工作模式。
中心频率由编程数据F0～F5控制，共64个不同的二进制数据，每个数据对应一个时钟频率fclk与中心频率f0的比值fclk/f0，Q值由编程数据Q0～Q7控制，共128个不同的二进制数据，每个数据对应一个同的Q值，最小的Q值为0.5，最大的Q值为64（如果芯片工作在模式2则可达90.5）。
工作模式由编程数据M0M1来决定，分别对应工作模式1、2、3和4。
模式1可以实现低通、带通和带随滤波；模式2
基本与模式1相同，只是该模式可以获得最高的Q值；模式3是唯一可以实现高通滤波的模式；而只有模式4才能实现全通滤波，它和模式3也可以实现低通和带通滤波[2]。
编程参数f0、Q值和工作模式确定以后，只要将相应的编程数据装入MAX262芯片内部的寄存器，滤波器的类型和频率特性也就确定了。
特性概括如下：
✧微处理器接口
✧64步中心频率控制
✧128步品质因数Q控制
✧独立的品质因数和中心频率编程
✧保证时钟频率对f0比值精度在1%
✧75KHZ的中心频率范围
✧单电源或者双电源正负5伏供电
2.3MAX262的工作原理
MAX262的内部结构框图如下（图2-3）
图2-3滤波器的结构（一个二阶）
MAX262内部使用了两个串联的积分器和一个运算放大器，一个独立的放大器，模式选择寄存器，中心频率寄存器，增益寄存器和开关电容网络。
MAX262的工作原理如下（图2-4）
图2-4MAX262的内部结构
两位数据值在四位地址位的控制下，在的下降沿经逻辑接口给滤波器A、B的中心频、品质因数Q及工作模式控制字分别赋予不同的值，从而实现各种功能的滤波。
MAX262的工作时序如下（图2-5）
图2-5控制数据输入时序
MAX262的地址对应的数据如下表。
表2-1地址分配表
数据
地址
键值
数据位
地址
键值
D0D1
A3A2A1A0
D0D1
A3A2A1A0
滤波器A
滤波器B
M0M1
0000
0
M0M1
1000
8
F0F1
0001
1
F0F1
1001
9
F2F3
0010
2
F2F3
1010
10
F4F5
0011
3
F4F5
1011
11
Q0Q1
0100
4
Q0Q1
1100
12
Q2Q3
0101
5
Q2Q3
1101
13
Q4Q5
0110
6
Q4Q5
1110
14
Q6
0111
7
Q6
1111
15
2.3.1MAX262的快速设计过程
利用MAXIM的滤波设计软件，可以极大的简化滤波器的设计过程，大多数滤波器可以用下面三个步骤来实现：
1.第一步----滤波器设计
从程序“PZ”着手确定滤波器的类型，这一步帮助确定最佳选择的类型（巴特沃思，切比雪夫等）和极点数，程序还绘制频率响应曲线并计算每个二阶滤波器的零点和极点，截止频率和Q增益值，可根据要求看是否需要级联。
2.第二步----产生编程系数
从第一步中获得的截止频率和Q值着手，使用程序“MPP”产生对每个二阶滤波器的f0和Q值进行编程的数字系数，程序对N值进行显示，N为设置滤波器部分关于f0和Q值的二进制代码的十进制等效值。
在这一步中还必须选择输入时钟频率和滤波器的工作方式，如果不选择时钟频率，“GEN”会选择一个，关于方式的选择，对于大多数滤波器来说方式1是最佳的选择，椭圆带通
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