程控开关电容低通滤波器的通用模块开发*

杨春玲，张扬，杨旭强，齐超

(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

在大数据时代，获取可信度高的信号尤为重要。滤波器作为信号分析与处理过程中的常用器件，主要用于抑制干扰信号，适用于信号采集至输出过程中的每个阶段,在不同的使用场景，对信号的滤波特性及其频带范围的需求各有特点[1-2]。

目前国内滤波器的产品类型很多，传统的滤波器结构简单，易于修理和维护[3-5]，但由于其参数固定，不适用于有较大动态频率范围调节的场景[6-7]。即使可以设计滤波器组，通过模拟开关选择不同的电阻电容调节截止频率[8]，但是这类设计电路较为复杂，可靠性与灵活性欠佳。

针对现有的不足，本文结合微处理器的软硬件技术，开发一种可程控开关电容低通滤波器模块，并就其设计、制作过程和应用方式进行讨论和研究。

1 总体方案设计

本文设计的程控滤波器，其特点是以STM32F103 微控制器为核心，对滤波器的带宽进行调节。系统的总体设计方案如图1 所示，主要包括开关电容滤波电路、控制器、矩阵键盘、液晶屏与电源模块。系统采用矩阵键盘设置截止频率后，通过控制器产生时钟信号控制滤波器带宽。滤波电路采用线性直流稳压电源进行供电。

图1 程控滤波器系统框架图

滤波器选用引脚可编程的开关电容滤波器。其集成度较高，功耗低，带宽可通过程序控制截止频率的方式进行调节。设计将采用阶数较高的巴特沃兹滤波器模型，在保证通带平坦度的同时保证滤波器的滚降率。

2 主电路设计

2.1 滤波器芯片选型

对于滤波器电路模块，需要选择合适的专用芯片。滤波器芯片选择需考虑的参数有：芯片的工作频率范围、截止频率的精度、滤波器阶数及滤波器控制方式。通过比较表1 的滤波器芯片参数，选择由Linear 公司设计的LTC1068 作为开关电容滤波器芯片。该芯片的工作频率范围较大，相比表中其他芯片的截止频率精度最高。LTC1068 可以设计八阶滤波器，可以提供更高的过渡带滚降率，克服了巴特沃兹滤波器自身的不足[9]。此外通过控制输入时钟信号频率就可以调整滤波器截止频率，故控制方式较为方便。

表1 常用滤波器芯片

2.2 低通滤波器设计

LTC1068 芯片内部包含四个相同的二阶滤波器，彼此直接级联，如果每个二阶滤波器稳定，级联后的整个系统就是稳定的[10]。

LTC1068 有多种工作模式，其中模式1 可用于二阶低通、带通、带阻滤波器设计，级联后适用于高阶巴特沃兹滤波器设计。与其他模式对比，该模式使用电阻较少，设计方便且成本低，而且其截止频率与时钟控制信号成正比，不会受到电阻精度的影响。故本文中4 个二阶滤波器均使用模式1。图2是模式1 的原理图，可看到模式1 可以实现低通(LP)、带通(BP)、带阻(N)输出。

图2 模式1 结构原理图

根据自动控制理论，模式1 中低通输出可以由图3表示，可以计算得到闭环传递函数，如式(1)所示：

图3 模式1 低通滤波系统结构图

其截止频率、品质因数、信号放大倍数如式(2)、式(3)、式(4)所示：

通过查询表2，可确定八阶滤波器的归一化分母多项式，根据式(3)即可求得每级滤波器的品质因数。品质因数过大会产生幅频特性峰值化问题，过小则导致过渡带平缓，因此品质因数在0.707 上下分布。为了确保谐振频率附近的稳定，将Q值较低的环节置于前级。由此得到LTC1068 各级滤波器的相关参数，如表3 所示。

表2 巴特沃兹滤波器各阶低通多项式标准表

表3 LTC1068 各级滤波器工作参数表

该滤波器无需将信号放大，故设计时 令各级滤波器的放大倍数乘积为1 即可满足需求。给定R2的阻值之后，通过式(3)和式(4)可得到R3、R1的阻值，从而确定滤波器主体电路的相关参数，如图4 所示。引脚3、19 为信号输入、输出端，引脚21 输入时钟信号。电源与引脚8 和引脚23 连接。

图4 八阶低通波器电路原理图

2.3 滤波器交互式设计软件应用

为验证理论计算得出的滤波器参数，使用Linear 公司开发的交互式滤波器设计软件FilterCAD 验证上述滤波器设计[11]，并进行仿真。软件设计流程如下：

(1)进入设计界面，选择滤波器工作类型(低通、高通、带通、带阻)与经典的滤波器模型(巴特沃兹滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器等)，设置通带增益、阻带衰减、截止频率、滤波器的阶数及品质因数。

(2)选择开关电容滤波器芯片类型与工作模式，完成电路设计。通过对比，在误差范围内理论设计得到的滤波器参数与软件设计所得参数一致。

在该软件中可仿真得出输出信号的幅频特性与相频特性曲线。结果显示信号在截止频率 fC处衰减为-2.89 dB。信号频率为2fC时，信号衰减为-48.09 dB，说明阻带内对信号的衰减能力较强。

3 实验验证

根据前述设计，搭建实验测试平台，进行程控滤波器相关实验，实验中使用的设备如表4 所示。实验包括滤波器电路的低通性能测试以及自噪声测试。

表4 实验设备清单

测试滤波器的低通性能时，通过单片机设置截止频率分别为10 Hz、100 Hz、5 kHz、10 kHz、20 kHz、40 kHz六挡。在每一挡测试时，令波形发生器产生一系列电压峰峰值固定且频率可变的正弦波，通过示波器记录输出信号幅值，绘制出幅频特性曲线。实验数据如图5 和表5 所示。

图5 fC 取不同频率时的输出信号幅频特性曲线

表5 低通滤波器性能测试

由表5 可知，截止频率可调，通带上限在40 kHz，相对误差控制在0.45%以内，性能优于表6 中所列出文献[11-13]的同类型滤波器。在误差范围内，部分幅频特性曲线通带内信号幅值存在略低的情况，可能是受到测量仪器误差、滤波器内部电阻并非精密电阻等因素的影响。

表6 同类文献中滤波器性能比较

系统自噪声也是滤波器系统中较重要的参数，反映系统本身对处理信号的影响。其测量方法如下：滤波器正常工作时将输入端接地，输出端连接到示波器，测得的交流有效值为噪声均方根值Vrms，由此可计算滤波器的自噪声水平，如式(5)所示：

式中A 为系统的实际增益。测量结果如表7 所示。

表7 自噪声测试

从表7 结果可以观测到滤波器的噪声峰峰值低于4.670 mV，等效输入噪声低于575 μV，在滤波器工作过程中对信号影响较小。

4 结论

本文设计实现了一种带宽可调的程控滤波器，研究了电路设计和程控方法，完成了带通可调的低通滤波器硬件电路模块设计和滤波器控制程序设计，并搭建实验测试平台，设计实验并进行测试。通过实验数据可知，该低通滤波器通带在10 Hz～40 kHz 可调，且截止频率的误差控制在0.45%以内，实现低通滤波功能，满足设计需求，适用于噪声测量与谐波失真测量的实际工作。