LTC1068型濾波器在機械振動信號調(diào)理電路中的應用

    摘要：介紹LTC1068型低噪聲、高精度通用濾波器的功能特點、引腳功能及工作模式，給出LTC1068在機械振動信號調(diào)理電路中的應用實例。

    關鍵詞：LTC1068 信號調(diào)理 高通濾波器

1 引言

隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對高精度信號調(diào)理技術的要求也越來越高。由于傳感器輸出的信號往往存在溫漂、信號比較小及非線性等問題，因此它的信號通常不能被控制元件直接接收，這樣一來，信號調(diào)理電路就成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可缺少的一部分，并且其電路設計的優(yōu)化程度直接關系到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。筆者設計的ICP傳感器調(diào)理電路采用了一種LTC1068型通用濾波器，可對傳感器輸出的信號進行高精度的濾波調(diào)理，減小了溫漂和直流偏置，從而滿足了采集系統(tǒng)高精度和高穩(wěn)定性的要求。

2 LTC1068簡介

LTC1068是Linear公司生產(chǎn)的4通道通用濾波器，它有很低的失調(diào)電流、漂移電流和偏置電流，并且具有很高的動態(tài)范圍，達到截至頻率的200倍時無混疊現(xiàn)象。工作電壓為+1.5V～+5V。

2．1 LTC1068的引腳功能

LTC1068采用24引腳PDIP和28引腳SSOP二種封裝，引腳排列如圖1所示。各個引腳的功能如下所述：

V+、V-：濾波器電源正負輸入端。通常情況下在該引腳與模擬地之間接一個0.1μF的旁路電容器以抗擊干擾。濾波器的供電電源必須與其他數(shù)字或模擬電路的高電壓電源分離開。有雙端和單端二種供電方式，建議使用低噪聲線性電源。

AGND：模擬地。濾波器的性能很大程度上取決于模擬信號地的質(zhì)量，單端供電方式時，AGND引腳必須接一個至少0.47μF的旁路電容器。

CLK：時鐘信號輸入端。任何TTL或CMOS占空比為50%的方波時鐘信號源都可以作為時鐘信號的輸入。時鐘信號源的供電電源不能作為濾波器的供電電源，濾波器的模擬地必須與時鐘信號源的模擬地連接在一起。因為過低的時鐘信號會使內(nèi)裝中時鐘不穩(wěn)定，所以不要使用頻率小于100kHz的時鐘信號。在繪制電路板時，時鐘信號線最好垂直于集成電路的引腳，以避免與其他信號產(chǎn)生耦合，在時鐘信號源與CLK引腳之間接一個200Ω的電阻器可以進一步減小耦合。

    HPA、HPB、HPC、HPD：A、B、C、D4個通道的高通輸出端。

LPA、LPB、LPC、LPD：A、B、C、D4個通道的低通輸出端。

BPA、BPB、BPC、BPD：A、B、C、D4個通道的帶通輸出端。

    LTC1068的每一個2階通道的3個輸出端都可以驅(qū)動同軸電纜或過載阻抗小于20kΩ的電路，這樣可以降低總體的諧波失真。

INV A、INV B、INV C、INV D：濾波器信號輸入端。這些引腳是內(nèi)部放大器的反向輸入端，因為它們很容易受低阻抗輸出信號和電源線的影響，因此在實際電路中要離開時鐘信號線和電源線至少0.1英寸。

SA、SB、SC、SD：加法求和輸入端，也是電壓輸入引腳。使用時必須接一個5kΩ以下的電阻器，不用時必須接地模擬地。

    2．2 LTC1068的內(nèi)部結構和工作模式

如圖2所示，LTC1068的四個2階通道在內(nèi)部是分離的，因此4階或8階的高階濾波器是由四個通道的級聯(lián)來實現(xiàn)。LTC1068有三種基本工作模式：模式1、模式2和模式3，還有兩種擴展工作模式：模式1b和模式3a。

在模式1中，外部時鐘信號與各個兩階通道的心頻率的比值為固定的100：1，模式1可以設計高階的巴氏低通濾波器，也可以用來設計低Q值的帶阻濾波器。如圖3所示，模式1中各參數(shù)的計算如下：時鐘頻率與中心頻率的比值為100：1；Q值為R3/R2；帶阻濾波器對輸入信號的放大倍數(shù)為-R2/R1；帶通濾波器對輸入信號的放大倍數(shù)為-R3/R1；低通濾波器對輸入信號的放大倍數(shù)也是-R2/R1。

模式1b是在模式1的基礎上推導出來的，與圖3相比模式1b多了二個外接電阻，在S端和LP端接了一個R5，在S端與地之間接了一個R6，這二個電阻器用來降低低通輸出端LP到SA（SB、SC、SD）輸入的電壓反饋。這樣可以使時鐘信號頻率與中心頻率的比率大于100：1。模式1b不但保持了模式1的優(yōu)勢，還通過提高fclk/fcutoff比值實現(xiàn)了高Q值的最佳模式設計。

如圖4所示，在模式3中，外部時鐘頻率與中心頻率的比值可以調(diào)整為大于或小于100：1，可以通過一些經(jīng)典的變量配置實現(xiàn)二階的高通、低通和帶通功能。模式3比模式1速度慢，經(jīng)常用作設計高階的多級帶通、低通和高通濾波器。

模式3a是模式3的擴展，通過二個外接電阻器RH和RL把濾波器的高通和低通輸出端結合起來，從而實現(xiàn)了帶阻濾波器的設計。模式3a比模式3更通用，因為2階帶阻濾波器的頻率可以大于或小于中心頻率。當LTC1068的各部分需要級聯(lián)時，高通端和低端的輸出可以合在一起直接作為下一部分的反向輸入。

    模式2是模式1和模式3相結合得到的，如圖5所示。在模式2中，時鐘頻率與中心頻率的比值通常小于100：1。與模式3相比，模式2可以提供比較小的電阻容限裕度。與模式1相同，模式2有一個依賴于時鐘頻率的帶阻輸出，因此帶阻頻率小于中心頻率。

3 在機械振動信號調(diào)理電路中的應用

信號調(diào)理電路由激勵電路、放大電路和濾波電路構成。圖6所示為機械振動信號調(diào)理電路的硬件電路。

因為IPC傳感器要求+24V的工作電壓和4mA的工作電流，因此激勵電路的作用就是給ICP傳感器提供+24V和4mA的工作條件。為了能獲得穩(wěn)定且噪聲低的電壓，電路設計采用DC-DC變換器把+5V轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+24V，4mA的直流電流則通過LM334來實現(xiàn)。

為了使ICP傳感器輸出的信號更加穩(wěn)定，信號先進入一個電壓跟隨器，然后再進入集成放大器。其中跟隨器和放大電路都采用TLC2272型放大器。TLC2272是單芯片雙運放放大器，與其他CMOS型放大器相比，具有高輸入阻抗、低噪聲、低輸入偏置電流、低功耗等優(yōu)點，并且且人軌對軌的輸出特性，因此其動態(tài)應用范圍大，可以提供2MHz的帶寬和3V/μs的擺率。

在進行數(shù)據(jù)處理時，為提高信噪比，突出被測機械設備的特性信息，通常要對采樣的信號進行濾波處理，因此濾波電路是信號調(diào)理電路中很重要的一部分。本設計采用高通濾波器和低通濾波器組成的帶通濾波器來實現(xiàn)濾波功能，其中低通濾波器采用LTC1063，高通濾波器采用LTC1068。通過這二個高精度濾波器的配合使用，減小了溫漂、零漂和直流偏置，提高了信噪比，從而滿足了采集系統(tǒng)調(diào)理電路高精度和高穩(wěn)定性的要求。

圖6

4 結束語

由于LTC1068的4個通道都是低噪聲、高精度、高性能的2階濾波器，因此每個通道只要外接若干電阻器就可以實現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻濾波器的功能。4重2階、2重4階或8階濾波器都可以用LTC1068來設計和實現(xiàn)。LTC1068是低噪聲高精度通用濾波器，可以廣泛應用于精度要求較高的系統(tǒng)中，諸如可以作為線性相位帶通濾波器、選擇性很強的帶通濾波器。同時由于LTC1068直至截止頻率的200倍都無混疊現(xiàn)象，而且最大中心頻率可以達到50kHz，因此可以用來設計音頻均衡濾波器、消除噪聲濾波器等。由此可見，LTC1068在信號處理電路中具有很廣泛的應用前景。