滤波器技术的发展与应用毕业设计.docx

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滤波器技术的发展与应用毕业设计

滤波器技术的发展与应用毕业设计

第一章绪论

滤波器技术在计算机测控技术、通信、数据采集等领域均有广泛的应用。

如在通信领域中为获得最高信噪比所设置的匹配滤波器和为减少基带传输过程中的码间串扰所设置的均衡器；在数据采集中所设置的限带抗混迭滤波和D/A转化后的平滑滤波；以及在语音识别的研究，为提取语音频谱而设置的带通滤波器组等。

在信号频率动态范围不宽的场合，设定固定截止频率的滤波器技术已很成熟，但在许多工程应用领域，信号频率动态范围往往很宽，如在0.1Hz~20kHz之间变化，因此，有必要采用多种截止频率的滤波器，用程控方法对频率宽动态范围的信号进行滤波。

传统的方法是用电阻、电容以及运放构成，并通过模拟开关选取不同的阻值以实现截止频率的改变，但这样的分布参数较大，截止频率精度不高，电路复杂。

而数字滤波器需要A/D和D/A转换，在成本和微型化方面存在着不足。

本系统设计采用了新型的单片滤波电路——开关电容滤波器（SFC）集成电路，设计出了可以通过编程改变截止频率的滤波器系统，满足了对滤波器灵活应用的要求。

SFC电路的实质是采样数据系统，SFC虽然在离散域工作，但属于模拟滤波器之列，直接处理模拟连续信号，与数字滤波器相比，省去了A/D、D/A装置，这也是SFC能很快进入应用的原因之一，拥有传统模拟滤波器低成本，低功耗的优势，又具有数字滤波器灵活参数设置的特性，具有广阔的应用前景。

随着对微型化要求的日益提高，滤波器的全集成化问题摆在了人们的面前。

早期的无源LC滤波器，低频应用时电感所占体积很大，并且不易集成。

因此随着集成电路技术的发展，特别是运算放大器的问世，有源RC滤波器的使用越来越广泛。

相对于无源LC滤波器来说，有源RC滤波器无电感，因而便于小型化和集成化有源RC滤波器的性能与电阻电容乘积RC有关，但集成电阻精度和稳定性都很差，因此集成的RC滤波器性能不高。

这样迫切需要新型的滤波集成电路。

开关电容滤波器（SwitchedCapactorFilter简称SCF）集成电路正是在这种情况下出现并获得越来越多的重视的。

在SCF中开关电容C替代了原来RC滤波器中的电阻R。

这样滤波器的特性仅取决于开关频率和网络中的电容比。

由于单片硅上实现精确而稳定的电容比较为容易，采用特种工艺，其精度通常可达0．01％，因此单片SCF集成电路作为一种全集成化滤波器非常引入注目。

本系统采用了美信公司通用开关电容滤波器芯片，设计如图1－1：

（1）系统增益0～60dB，增益步进1dB可调；通频带为100Hz～40kHz，电压增益误差不大于1%。

（2）系统可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1k。

（3）系统可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1k。

（4）高低通截止频率的误差均不大于3%。

图1－1系统图

第二章程控放大器设计

2.1放大器噪声分析

在系统中MAX262为了对小信号能进行滤波，增益最大可设置为60dB,在高增益下，电路设计应将信噪比因素考虑进去。

系统的信号质量可用信噪比（Signal-to-noiseratio,SNR）表示：

S/N=有用信号功率电平/无用噪声功率电平

噪声系数：

SiSo

Ni=KTBNo

图2－1

系统可用如图2－1二端口网络表示。

对于任何一个二端口网络，噪声系数F的定义是：

F==

噪声系数常用分贝表示，记为NF。

对于增益为G的二端口网络 输出噪声No应为N0 =GNi +网络产生的噪声Nn。

网络产生的噪声Nn为：

Nn=No－GNi （W）

F== 

No=FGNi（W）

以分贝表示输出噪声等于输入噪声No（dB）加上噪声系数F（dB）和增益G（dB）。

噪声系数只反映本身噪声性能，噪声系数定义基于标准噪声源Ni。

对于N个二端口网络级连组成的系统，其总的噪声系数为：

F=F1+++∧+

…

图2－2网络级联

由此可见，第一级的增益、噪声系数对总链路的噪声系数起决定作用。

系统的设计始终应当设法巴第一级或者前两级所产生的噪声减到最小。

对第一级的缓冲放大器，应选择低噪声系数的运算放大器，本系统中选用SGOP27运算放大器。

SGOP27（以下简称OP27）精密运算放大器的低失调和漂移与高速和低噪声结合在一起，失调降到25μV且最大漂移为0.6μV/℃，这使得OP27供精密的仪表应用是很理想的。

在10Hz下，特别低的噪声en=3.5nV/Hz和低至2.7Hz的1/f噪声转折频率，以及高增益（1.8×106）的这些特性，使其能对低电平的信号做精密的高增益放大。

8MHz的增益带宽积和2.8V/μs的转换速率，使该放大器在高速数据采集系统中保持极好的动态精度。

2.2低噪声缓冲放大器设计

通过使用偏置电流抵消电路来获得±10nA的低输入偏置电流。

在整个军用温度范围内，该电路一般使IB和IOS分别保持到±20nA和15nA。

其输出级具有很好的负载驱动能力，可保证600Ω负载上的±10V振幅以及低的输入失真，所以OP27供精密的音频应用也是种极好的选择。

PSRR和CMRR超过120dB。

这些特性连同0.2μV/月的长期漂移，使得电路的设计者能够实现以前只有靠分立的设计才能达到的性能水平。

OP27的低成本和大的产量是通过采用在片的Zener-zap修正网络实现的。

这种稳定和可靠的失调修正方案，在多年的生产历史中证明了其有效性。

OP27在低电平信号的低噪声、高精度放大中具有极好的性能。

主要应用包括稳定的积分器、精密的求和放大器、精密的电压门限检测器、比较器以及像磁头和麦克风前置放大器这类的专用音频电路。

图2－3OP27缓冲放大电路

信号输入端采用了BNC接头，这样，可以输入10mVp-p的小信号。

为了防止运放因电源内阻自激，在OP27＋－电源输入引脚接入10uF贴片瓷片电容。

R1为防止运放负增益端过流而设置的保护电阻，实践证明对输入信号没有衰减的影响，并起到了稳定放大器的作用。

2.3程控放大器设计

信号经过缓冲放大器后进入第二级电压控制增益放大器AD603，由凌阳单片机SPCE061A通过控制12位D/AMAX531的输出电压对AD603的增益进行设置，以达到对系统增益的灵活控制以及满足开关电容集成电路MAX262的信号输入电压要求。

在很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。

在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。

AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。

它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，它使用一种叫做X2AMP的专用拓扑电路,由前级的衰减器和后级固定增益的放大器组成。

这种结构使AD603具有独特的优点:

模拟信号带宽不随增益变化而变化。

如增益用分贝表示，则增益与节制电压成线性关系。

管脚间的衔接办法决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30dB时的带宽为90MHz，增益在

+10～+50dB时具有9MHz带宽，改变管间的衔接电阻，可使增益处在上述范围内。

简化原理框图如图2－5所示。

AD603由无源输入衰减器、增益节制界面和固定增益放大器三部分组成。

图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益节制接口的电压决定。

增益的调剂与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于节制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ，因而输入电流很小，致使片内节制电路对供应增益节制电压的外电路影响减小。

图2－5中的“滑动臂”从左到右是可以衔接移动的。

当VOUT和FDBK两管脚的衔接不同时，其放大器的增益范围也不一样。

AD603的基本增益为：

Gain（dB）=40VG+10，其中，VG是差分输入电压,单位是V，Gain是AD603的基本增益,单位是dB。

从此式可以看出，以dB作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。

由此可以得出，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进可以很准确地实现。

但若要用放大倍数来表示增益的话，则需将放大倍数经过复杂的对数运算转化为以dB为单位后再去控制AD603的增益，这样在计算过程中就引入了较大的运算误差。

VPOS

VNEG

GPOS

GNEG

VINP

COM

图2－5AD603简化原理框图

本设计采用AD603典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为－10～+30dB，输入控制电压U的范围为－0.5～＋0.5V。

图2－6为AD603接成90MHz带宽的典型方法。

增益和控制电压的关系为：

AG（dB）=40×U+10，一级的控制范围只有40dB，使用两级串联，增益为AG（dB）=40×U1+40×U2+20，增益范围是－20～+60dB。

由于两级放大电路幅频响应曲线相同，两级AD603串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为90MHz，两级放大电路串联后-3dB带宽对应着单级放大电路1.5dB带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60MHz。

其中，两级放大2引脚相连，有TL431提供1.000V的精密参考电压源，1引脚相连，由MAX531提供增益控制电压。

图2－6程控放大器

2.4参考电压源TL431

德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图5）。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,在很多应用中可以用它代替齐纳二极管,例如,数字电压表,运放电路、可调压电源,开关电源等等。

图2－7TL431

图2－7是该器件的符号。

3个引脚分别为：

阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。

TL431的具体功能可以用如图2－8的功能模块示意。

由图2－8可以看到,VI是一个内部的2.5V基准源,接在运放的反相输入端。

由运放的特性可知,只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时,三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过,而且随着REF端电压的微小变化,通过三极管的电流将从1到100mA变化。

当然,该图绝不是TL431的实际内部结构,所以不能简单地用这种组合来代替它。

但如果在设计、分析应用TL431的电路时,这个模块图对开启思路,理解电路都是很有帮助的。

图2－8TL431示意图

图2－9TL431恒压电路应用

TL431的内部含有一个2.5V的基准电压,所以当在REF端引入输出反馈时,器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流,控制输出电压。

如图2－9所示的电路,当R1和R2的阻值确定时,两者对Vo的分压引入反馈,若Vo增大,反馈量增大,Vo的分流也就增加,从而又导致下降。

显见,这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定,此时Vo=（1+R1/R2）Vref。

选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出。

在本设计中如图2－10，RV为10K的精密多圈滑动变阻器，通过改变其阻值，可以得到1.000V的精密电压，为AD603提供增益电压参考。

图2－10TL431应用原理图

2.5D/A转换器

MAX531是美信集成产品公司生产的12位串行数据接口