濾波器的使用與設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介：在電子系統(tǒng)里濾波器是很見的組成部分，可以通過R,L,C的搭配組成各種濾波電路。一階RC濾波器的截止頻率等于1/2*pi*RC.，R,C,L串聯(lián)可以搭建二階帶通濾波器等等。

在電子系統(tǒng)里濾波器是很見的組成部分，可以通過R,L,C的搭配組成各種濾波電路。一階RC濾波器的截止頻率等于1/2*pi*RC.，R,C,L串聯(lián)可以搭建二階帶通濾波器等等。

在電源處理時(shí)經(jīng)常會(huì)用到濾波器。為了保證輸入到芯片的電源電壓的穩(wěn)定，通常的做法是在VCC和地之間跨接一個(gè)大電容和一個(gè)小電容并聯(lián)。也可以采用RC濾波的方式來實(shí)現(xiàn)電源的穩(wěn)定，最好不要在電路板電源的根部采用RC濾波，而是在需要電源濾波的芯片處采用RC濾波，因?yàn)殡娮璧拇嬖诒厝粚?dǎo)致分壓，如果在電源根部RC濾波電路板整個(gè)板子的電流大的話會(huì)在R上形成很大的壓降，導(dǎo)致輸出電壓變小，而在芯片根處采用RC濾波，一般芯片的工作電流在幾十mA，這時(shí)R的選擇余地會(huì)比較大，而且濾波效果較好。LC濾波我不經(jīng)常使用，不是很了解，不知道大家的理解如何。

最近使用了美信的可編程濾波器和引腳可配置濾波器，它們采用都是開關(guān)電容濾波器。

這幅圖說的比較清楚，實(shí)際上就是用開關(guān)電容(SC)來取代電阻器，開關(guān)K置于左邊時(shí),信號(hào)電壓源u1向電容器C1充電;K倒向右邊時(shí)，電容器C1向電壓源u2放電。當(dāng)開關(guān)以高于信號(hào)的頻率fc工作時(shí),使C1在u1和u2的兩個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)之間交替換接,那么C1在u1、u2之間傳遞的電荷可形成平均電流I=fC1(u1-u2)，相當(dāng)于圖1a的u1和u2之間接入了一個(gè)等效電阻,其值為1/fC1。

推導(dǎo)是這樣的：在信號(hào)源向電容充電時(shí)Q=C1*U,然后這個(gè)電流供給運(yùn)放使用，因此平均電流為I=C1*U/T,如果T足夠短，可以近似認(rèn)為這個(gè)過程是連續(xù)的，因而可以在兩節(jié)點(diǎn)間定義一個(gè)等效電路Req=U/I=T/C1=1/f*C1。這個(gè)電路的等效時(shí)間常數(shù)就是τ=RC2=C2/f*C1.

我開始使用的是MAX274，這款開關(guān)電容濾波器是通過改變引腳的電阻值來改變中心頻率f0，增益G，帶寬Q。它不需要外接時(shí)鐘信號(hào)來提供開關(guān)頻率用，估計(jì)是采用了內(nèi)部RC振蕩電路。設(shè)計(jì)MAX274是美信官網(wǎng)上有個(gè)輔助軟件，把所需的參數(shù)輸進(jìn)去，會(huì)自動(dòng)計(jì)算出各個(gè)電阻的阻值，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)即使自己搭電路的阻值取得跟軟件計(jì)算出的阻值有一點(diǎn)差別，中心頻率等差別也不會(huì)很大。

后來覺得274改變參數(shù)太麻煩，采用了另外一款開關(guān)電容濾波器MAX262，這是個(gè)引腳可編程濾波器，使用起來非常方便，需要外接時(shí)鐘信號(hào)提供f。這樣的好處是開關(guān)頻率非常穩(wěn)，使得中心頻率也能夠做到跟設(shè)定值1%的誤差。使用MAX262也有個(gè)輔助軟件，但我覺得這個(gè)軟件計(jì)算的MAX262的參數(shù)值是錯(cuò)的，還是以數(shù)據(jù)手冊(cè)為準(zhǔn)!使用MAX262也很方便，就是往寄存器里寫入幾個(gè)值(應(yīng)該是ROM型，掉電不丟失)，通過給定的時(shí)鐘頻率，然后除以想要的中心頻率，得出的N值寫出寄存器就可以了，N通過查表可以得到，這樣可以設(shè)定F0.同時(shí)可以設(shè)定Q，Q對(duì)應(yīng)的也有N值，寫到對(duì)應(yīng)的寄存器里。Q值一方面是帶寬，另一方面也等于放大倍數(shù)。只要時(shí)序正確，寫入數(shù)據(jù)也不困難。

在使用中也遇到了一些問題：這就是像這些濾波器的增益千萬(wàn)不要調(diào)的太大，比如1000倍，因?yàn)檫@時(shí)候當(dāng)輸入引腳有噪聲存在時(shí)，噪聲中肯定有你設(shè)定的中心頻率F0的分量，由于濾波器的優(yōu)異性能，它會(huì)把噪聲里的F0分量給放大出來到輸出端，導(dǎo)致有效信號(hào)反而無法檢測(cè)，這也是使用過程中應(yīng)該留意的!

網(wǎng)友1評(píng)論：開關(guān)濾波電容替代電阻還是有些問題吧!首先切換速度足夠快也就是切換頻率足夠高，能夠使得濾波頻率范圍足夠廣，那么就需要信號(hào)源是理想信號(hào)源，才能以足夠快的速度對(duì)開關(guān)切換電容進(jìn)行充電。這是開關(guān)切換電容工作頻率范圍的基礎(chǔ)!然而僅僅如此還不足夠，電容的放電速度也是限制工作頻率范圍的限制之一啊!

作者回復(fù)：恩，謝謝回復(fù)。你說的很對(duì)。開關(guān)電容濾波器實(shí)際就是利用參考信號(hào)通過電容對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣來實(shí)現(xiàn)的。fclk/f0當(dāng)f0太大的時(shí)候已經(jīng)不能看成是連續(xù)的充放電了，芯片內(nèi)部的放電時(shí)間常數(shù)τ應(yīng)該是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的，放電時(shí)間常數(shù)小于開關(guān)頻率。我覺得在符合芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)要求的范圍內(nèi)開關(guān)電容濾波器的性能要強(qiáng)于自己搭建的RC濾波電路，自己大的帶寬太寬，而且RC離散性太大。不過如果對(duì)信號(hào)不是選頻放大到也無所謂。

網(wǎng)友2評(píng)論：不錯(cuò)，但是需要根據(jù)信號(hào)頻率來選擇切換頻率。切換頻率能夠做到多高，要根據(jù)芯片的特性確定。