程控滤波器.docx

1、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）,But

2、terworth（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

3、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1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2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

4、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104s）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

5、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

6、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

7、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

8、。第2章 MAX262的结构及工作原理2.1 MAX262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2-1 MAX262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2-2 MAX262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

9、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RC振荡的时钟输出端；OSCOUT：与晶体振荡器或RC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

10、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。2.2 MAX262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， F0F5和Q0Q6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1Hz140kH

11、z。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0.01Hz7.5kHz。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F0F5控制，共64个不同的二进制数据，每个数据对

12、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Q0Q7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

13、。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2.3 MAX262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2-4 MAX262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

14、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D0 D1A3 A2 A1 A0D0 D1A3 A2 A1 A0滤波器A滤波器BM0 M10 0 0 00M0 M11 0 0 08F0 F10 0 0 11F0 F11 0 0 19F2 F30 0 1 02F2 F31 0 1 010F4 F50 0 1 13F4 F51 0 1 111Q0 Q10 1 0 04Q0 Q11 1 0 012Q2 Q30 1 0 15Q2 Q31 1 0 113Q

15、4 Q50 1 1 06Q4 Q51 1 1 014Q60 1 1 17Q61 1 1 1152.3.1 MAX262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