LTC1569濾波器在信號(hào)調(diào)理模塊中的應(yīng)用

1 引言
    信號(hào)調(diào)理電路是數(shù)據(jù)采集器中不可缺少的一部分。隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的要求也越來(lái)越高，其電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化程度直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集器的精度和穩(wěn)定性。而濾波電路則是信號(hào)調(diào)理模塊的關(guān)鍵所在。普通有源濾波器是由運(yùn)算放大器和電阻、電容組成，但參數(shù)調(diào)整困難，而且應(yīng)用于頻率較高的場(chǎng)合，元件周圍的分布電容將嚴(yán)重影響濾波器的特性，使其偏離預(yù)定的工作狀態(tài)。普通有源濾波器還因?yàn)榉€(wěn)定性較差，較難實(shí)現(xiàn)窄帶寬的設(shè)計(jì)，不易獲得高Q值，難以滿足系統(tǒng)要求。本文設(shè)計(jì)的傳感器信號(hào)調(diào)理電路采用LTC1569型通用濾波器，能夠高精度濾波調(diào)理傳感器輸出信號(hào)，從而滿足數(shù)據(jù)采集器高精度和高穩(wěn)定性的要求，與普通的有源濾波器相比。LTCl569組成的濾波器具有外接元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便和穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)。

2 LTC1569簡(jiǎn)介
    LTC1569是Linear公司生產(chǎn)的十階低通濾波器，截止頻率可調(diào)，最大截止頻率可達(dá)300 kHz(5 V供電)。它有很低的失調(diào)電流、漂移電流和偏置電流，并具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。工作電壓為3 V．5 V或者±5 V。
2．1 LTC1569的引腳功能
    LTC1569采用8引腳SO封裝，各個(gè)引腳的功能如下：
    IN+/IN-(引腳1，2)：信號(hào)輸入端。當(dāng)信號(hào)由引腳1輸入時(shí)，輸出直流增益為1；而由引腳2輸入時(shí)，輸出直流增益為-1。
    GND(引腳3)：濾波器的參考電壓，當(dāng)單5 V電源供電時(shí)，其電壓為2 V；當(dāng)3 V電源供電時(shí)，其電壓為1．11 V。V-/V+(引腳4，7)：濾波器電源正負(fù)輸入端。通常，在引腳4和引腳7之間接一只1μF的瓷片電容作為旁路電容以消除干擾，并且該旁路電容應(yīng)盡可能靠近濾波器放置。如果雙電源供電，則引腳3接地，引腳4與引腳3以及引腳7與引腳3之間分別接一只0．1μF的旁路電容。
    DIV／CLK(引腳5)：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。該濾波器既可使用內(nèi)部時(shí)鐘，也可使用外部時(shí)鐘。使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)一只外接電阻改變截止頻率；使用外部時(shí)鐘時(shí)。任何TTL和CMOS占空比為50％的方波時(shí)鐘信號(hào)源都可作為時(shí)鐘信號(hào)輸入。時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)源的模擬地連接在一起。Rx(引腳6)：在該引腳和引腳7(V+)之間接一只外接電阻Rx用以啟動(dòng)內(nèi)部時(shí)鐘。該電阻值決定濾波器的截止頻率。當(dāng)該引腳接到引腳4(V-)時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘禁止。OUT(引腳8)：信號(hào)輸出端。
2．2 LTC1569的工作模式
    LTC1569需要依靠一個(gè)時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)電路，可采用外部時(shí)鐘或者內(nèi)部時(shí)鐘兩種方式。當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)只需將引腳6(Rx)與引腳4(V-)短接。當(dāng)采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，需外接一只電阻REXT，其電路接法如圖1所示，電阻值與截止頻率，fCUTOFF的關(guān)系是：
   
    當(dāng)DIV／CLK引腳短接到V-引腳時(shí)。內(nèi)部分頻設(shè)置為1：1：當(dāng)DIV／CLK引腳通過(guò)一只100 pF的電容接V-引腳時(shí)，內(nèi)部分頻設(shè)置為1：4；當(dāng)DIV／CLK引腳短接到V+引腳時(shí)，內(nèi)部分頻設(shè)置為1：16。

3 利用LTC1569實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波
3．1 低通濾波電路
    本設(shè)計(jì)要求截止頻率為2 kHz，根據(jù)外接電阻和截止頻率的關(guān)系得到外接電阻REXT=40 kΩ，將DIV／CLK引腳短接到V+引腳。濾波電路連接如圖2所示。

    該電路采用單電源供電模式，因此V+引腳接+5 V電源，C11為電源濾波電容，以確保輸入電壓質(zhì)量。R9和R12為分壓電阻。通過(guò)分壓得到GND引腳的參考電壓為2 V。IN+引腳為信號(hào)輸入引腳，OUT引腳為電路輸出引腳，通過(guò)該濾波電路即可輸出性能良好的波形。R10設(shè)置濾波器的截止頻率，本設(shè)計(jì)要求截止頻率為2 kHz，經(jīng)計(jì)算得到R10=40 kΩ，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了不同頻率下LTC1569的輸入和輸出幅值，如表1所示。

    由表1可以看出，當(dāng)輸入頻率f=100 Hz、f截止=200 Hz時(shí)輸出信號(hào)開始衰減，當(dāng)f=f截止=2 kHz時(shí)，輸出信號(hào)的幅值為輸入信號(hào)的0．707倍，符合低通濾波電路的幅頻特性，保證了濾波電路的截止頻率為2 kHz。
    另外，信號(hào)經(jīng)LTC1569輸出后需加入電壓跟隨器。因?yàn)闉V波器的輸出阻抗比較高，如果后級(jí)的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中，這就需電壓跟隨器進(jìn)行緩沖，降低輸出阻抗。
3．2 設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)
    應(yīng)用LTC1569設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：
    (1)該設(shè)計(jì)中，LTC1569采用內(nèi)部時(shí)鐘工作方式，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，截止頻率由外接電阻決定，因此要選取精確度至少為1％的精密電阻，調(diào)試時(shí)需要按計(jì)算值做適當(dāng)調(diào)整，以保證截止頻率的精確。另外當(dāng)采用單+5 V電源供電時(shí)，該外接電阻的阻值范圍應(yīng)在3．8~40 kΩ。
    (2)采用單+5 V電源供電，因此V-引腳接地，GND引腳通過(guò)分壓電阻分壓獲得一個(gè)2 V的參考電壓。GND引腳與V-引腳需要接一只1μF的電容。
    (3)信號(hào)經(jīng)低通濾波器后輸出波形相位通常與原來(lái)的信號(hào)不一致，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之問(wèn)容易產(chǎn)生相移，為了消除相移而又不影響輸出信號(hào)的幅值?？稍跒V波輸出后級(jí)加等幅的移相電路。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    根據(jù)以上分析，利用LTC1569搭建濾波電路。根據(jù)輸出要求，截止頻率設(shè)定為2 kHz，外接電阻阻值為40 kΩ，采用單5 V電源供電，上電后測(cè)量濾波電路的截止頻率，GND引腳電壓為2 V，符合LTC1569的工作要求。另外，在實(shí)驗(yàn)中還使用M AX291濾波器設(shè)計(jì)濾波電路，用以對(duì)比2種濾波器件的濾波效果。MAX291是八階開關(guān)電容低通濾波器，其使用方法與LTC1569基本相同，工作電壓為+5 V或者±5 V，可以采用外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘兩種方式，若使用內(nèi)部時(shí)鐘，只需外接一只電容器。
    現(xiàn)采用某傳感器信號(hào)作為輸入信號(hào)，經(jīng)設(shè)計(jì)的濾波電路后由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果：圖3a為未使用LTC1569進(jìn)行濾波采集到的信號(hào)波形，圖 3b為使用LTC1569進(jìn)行濾波采集到的信號(hào)波形，圖3c為使用MAX291進(jìn)行濾波采集到的信號(hào)波形。從圖3中可以看出。使用LTC1569進(jìn)行濾波后的波形比較平滑，而使用MAX291進(jìn)行濾波后信號(hào)則出現(xiàn)嚴(yán)重十?dāng)_。實(shí)驗(yàn)證明LTC1569濾波電路對(duì)信號(hào)具有很好的濾波效果，高頻噪聲通過(guò)該濾波電路后可以完全濾除。但輸出波形與輸入波形存在相位偏移，這可以通過(guò)后置等幅相移電路進(jìn)行修正。

5 結(jié)論
    LTC1569低通濾波器可廣泛應(yīng)用于精度要求較高的系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)有源濾波器相比，LTC1569實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波器具有巨大的優(yōu)勢(shì)，由于它可通過(guò)一只外接電阻來(lái)設(shè)置截止頻率，使用起來(lái)非常方便靈活。由此可見，LTC1569在信號(hào)調(diào)理電路中具有廣泛的應(yīng)用前景。