基于MAX274的八階帶通模擬濾波器的設(shè)計(jì)與仿真*

程光宇　吳浩然　唐勁松

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院　武漢　430033)

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基于MAX274的八階帶通模擬濾波器的設(shè)計(jì)與仿真*

程光宇吳浩然唐勁松

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033)

為了快速而精確實(shí)現(xiàn)所需八階帶通模擬濾波器的設(shè)計(jì)，保證水聲信號接收機(jī)系統(tǒng)的濾波與增益性能，文章提出了基于Maxim公司的濾波器設(shè)計(jì)芯片MAX274快速實(shí)現(xiàn)八階Butterworth帶通模擬濾波器的設(shè)計(jì)方案。結(jié)合水聲信號接收機(jī)系統(tǒng)的指標(biāo)，設(shè)置濾波器設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過Multisim仿真得到帶通濾波器頻率響應(yīng)曲線進(jìn)行對比驗(yàn)證，其濾波與增益性能在相應(yīng)頻帶內(nèi)效果好。體積小、單片集成、方便調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，使其更加適合該系統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)。

MAX274;Butterworth帶通濾波器;Multisim仿真

Class NumberTP391

1　引言

水聲信號接收機(jī)系統(tǒng)基本功能是實(shí)現(xiàn)噪聲背景下聲信號的濾波與放大，其中濾波性能很大程度上取決于所設(shè)計(jì)的濾波器。為提取出所需頻帶內(nèi)的信號，工業(yè)應(yīng)用中一般使用由運(yùn)算放大器、電阻、電容構(gòu)成的有源濾波器，但容易受外界干擾影響，當(dāng)工作頻率一定高時(shí)，雜散電容將導(dǎo)致濾波器性能嚴(yán)重下降[1]。MAX274為單片集成，只需外接電阻，就可以設(shè)計(jì)出所需的Butterworth、Bessel和Chebyshev濾波器，其受雜散電容影響小，體積小，軟件設(shè)計(jì)界面易操作，是一款難得的實(shí)現(xiàn)高階模擬濾波器的芯片[2]。本文介紹了MAX274芯片及其實(shí)現(xiàn)濾波器的原理，設(shè)計(jì)了滿足水聲信號接收機(jī)系統(tǒng)要求的八階Butterworth帶通模擬濾波器，并在Multisim中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，使用MAX274芯片設(shè)計(jì)濾波器，軟件易操作、設(shè)計(jì)結(jié)果精確，應(yīng)用前景廣泛。

2　MAX274簡介與工作原理

MAX274是一款連續(xù)時(shí)間有源濾波器設(shè)計(jì)芯片，內(nèi)部由四個(gè)獨(dú)立、可級聯(lián)的二階濾波單元構(gòu)成，單個(gè)二階濾波單元電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于單片芯片，通過配置各單元中R1～RTP3914的阻值，就可以設(shè)計(jì)出最高八階(只能為偶數(shù)階)有源的低通、帶通、帶阻和高通濾波器[3]。工作頻率可達(dá)150KHz，且在工作溫度范圍內(nèi)精度在±1%以內(nèi)。既可+5V電源供電，也可±5V電源供電。

圖1　單個(gè)二階濾波單元電路結(jié)構(gòu)圖

MAX274芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)[2,4]：

1)只需外接電阻，硬件設(shè)計(jì)簡單且受雜散電容影響??；

2)Maxim公司提供免費(fèi)的濾波器設(shè)計(jì)軟件，無需復(fù)雜的計(jì)算；

3)芯片為連續(xù)時(shí)間濾波器，無時(shí)鐘噪聲，總諧波失真典型值為-86dB；

4)放大倍數(shù)可調(diào)，軟件調(diào)整參數(shù)簡便易懂。

MAX274芯片通過級聯(lián)內(nèi)部四個(gè)二階濾波單元可以設(shè)計(jì)出高階不同類型的濾波器，單個(gè)二階濾波單元通過外接四個(gè)電阻設(shè)計(jì)，其中心頻率F0、品質(zhì)因素Q、帶通增益HOBP、低通增益HOLP、帶通系統(tǒng)函數(shù)及低通系統(tǒng)函數(shù)與外接電阻之間的關(guān)系如式(1)～(6)所示[2]：

F0(Hz)=2*109/R2

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3　八階Butterworth帶通模擬濾波器設(shè)計(jì)

Maxim公司針對MAX274提供了免費(fèi)的濾波器設(shè)計(jì)軟件，用戶在官網(wǎng)下載后可以通過軟件快速計(jì)算出所需濾波器各個(gè)二階濾波單元的四個(gè)外接電阻的阻值，并可以查看濾波器的響應(yīng)曲線是否滿足設(shè)計(jì)需求[5]。本文以設(shè)計(jì)中心頻率為F0=4960Hz，帶寬為5200Hz的帶通濾波器為例介紹濾波器設(shè)計(jì)軟件的使用和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

運(yùn)行濾波器設(shè)計(jì)軟件FILTER.exe后按任意鍵進(jìn)入軟件主界面，如圖2所示。選擇第一選項(xiàng)，進(jìn)入濾波器參數(shù)設(shè)置界面，如圖3所示。

圖2　設(shè)計(jì)軟件主界面

圖3　濾波器參數(shù)設(shè)置界面

設(shè)置類型(Type)為帶通(Bandpass)，帶通濾波器以Butterworth濾波器最佳，其通帶內(nèi)最為平坦，為充分利用單片MAX274芯片的性能，設(shè)置階數(shù)(order)為八階，通帶最大衰減(Amax)設(shè)置為3dB，阻帶最小衰減(Amin)設(shè)置為20dB，中心頻率設(shè)置為4960Hz，通帶最低頻率(Fbw-)設(shè)置為3KHz，通帶最高頻率(Fbw+)設(shè)置為8.2KHz，然后調(diào)整阻帶最低頻率(Fsw-)和阻帶最高頻率(Fsw+)，使其滿足Butterworth濾波器的階數(shù)要求[6]。

參數(shù)設(shè)置完成后，按V鍵可查看濾波器頻率響應(yīng)曲線，如圖4所示。

圖4　濾波器頻率響應(yīng)曲線

按Esc鍵返回圖1的主界面，選擇第二項(xiàng)，進(jìn)行MAX274外接電阻的設(shè)計(jì)。按L鍵加載剛剛設(shè)置的參數(shù)，可以看到各個(gè)二階濾波單元設(shè)計(jì)完畢，如圖5所示。按V鍵可以查看各階濾波的響應(yīng)曲線，其選擇界面如圖6所示。按R鍵可以查看單個(gè)二階濾波單元的電路圖，如圖7所示，當(dāng)外接電阻阻值過大時(shí)(一般以4MΩ為上限)，需要接成T型網(wǎng)絡(luò)或者更改芯片F(xiàn)c引腳的連接方式(一般連接至GND)。在圖5中按[Ctrl+G]可以設(shè)置帶通增益，本設(shè)計(jì)為20dB。導(dǎo)出各二階單元的電阻，可以進(jìn)行后續(xù)的仿真驗(yàn)證和電路制作。

圖5　二階濾波單元參數(shù)設(shè)置界面

圖6　濾波器響應(yīng)查看界面

圖7　二階濾波單元電路圖

4　基于Multisim的仿真

MAX274帶通濾波器的電路連接圖如圖8所示，其中各濾波單元參數(shù)如表1所示。將圖8中電阻值設(shè)置為相應(yīng)的電阻值，INA接輸入信號，各階濾波單元以級聯(lián)方式連接，BPD為濾波器輸出，完成八階帶通濾波器電路設(shè)計(jì)[2,7]。

圖8　MAX274帶通濾波器電路圖

在進(jìn)行Multisim的仿真時(shí)，將各個(gè)二階濾波單元按照要求仿真實(shí)現(xiàn)，單個(gè)二階濾波單元電路仿真圖如圖9所示，其中運(yùn)算放大器選擇的是OP462，該運(yùn)放帶寬為15M，與MAX274內(nèi)部運(yùn)放帶寬一致，更接近實(shí)際情況[8～9]。

表1　帶通濾波器參數(shù)表

級聯(lián)4個(gè)二階濾波單元組成八階Butterworth帶通濾波器，接入不同頻率的電壓信號源調(diào)試仿真，將仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab繪圖，得到濾波器的頻率相應(yīng)曲線，如圖10所示。

圖9　單個(gè)二階濾波單元電路仿真圖

比較圖4與圖10，可以看出：本設(shè)計(jì)的八階Butterworth帶通模擬濾波器，在3dB帶寬內(nèi)(3KHz～8.2KHz)增益為17dB～20dB，Multisim的仿真結(jié)果與濾波器設(shè)計(jì)軟件得到的結(jié)果一致性強(qiáng)，通帶內(nèi)平坦，阻帶相應(yīng)曲線呈快速下降趨勢，性能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10　濾波器頻率響應(yīng)曲線

當(dāng)然，新用戶在使用MAX274設(shè)計(jì)濾波器的過程中，可能遇到軟件有設(shè)計(jì)結(jié)果，但仿真結(jié)果始終不正確的情況，這時(shí)首先考慮阻值是否正確，電路連接是否正確，最后考慮頻率和品質(zhì)因素是否過大，以及單二階濾波增益過高導(dǎo)致輸出電壓超過芯片電源電壓等[10]。

5　結(jié)語

本文基于MAX274設(shè)計(jì)了八階Butterworth帶通模擬濾波器，通過Multisim仿真，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)滿足水聲信號接收系統(tǒng)帶通濾波器的要求，設(shè)計(jì)流程簡單易懂，設(shè)計(jì)結(jié)果精確，適合初學(xué)者以及廣大工程師在濾波器設(shè)計(jì)中使用。

[1]吳凱,舒曦輝.MAX274/275連續(xù)時(shí)間有源濾波器及應(yīng)用[J].集成電路與應(yīng)用，1997(5)：19-21.

[2]MAX274 Datasheet[EB/OL].http//www.maxim-ic.1996-10-01.

[3]彭良玉,羅光明,黃滿池.基于MAX274的八階連續(xù)時(shí)間帶通濾波器的設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(2):57-59.

[4]黃志堅(jiān)，胡以懷.基于MAX274/275的濾波器設(shè)計(jì)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25(4):51-53.

[5]陳東升,許肖.八階連續(xù)時(shí)間濾波器MAX274在淺海水聲跳頻通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，47(2):178-181.

[6]Revna Acar Vural，Ufuk Bozkurt，Tulay Yildirim.Analog active filter component selection with nature inspired metaheuristics[J].International Journal of Electronics and Communications，2013，67(3)：197-205.

[7]張淑娥,王丹.基于MAX274的濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2011，37(6):53-54.

[8]Multisim 10仿真用MAX274設(shè)計(jì)的4階帶通濾波器[EB/OL].http://bbs.eetop.cn.2013-04-01.

[9]OP462Datasheet[EB/OL].http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/OP162_262_462.pdf.

[10]紀(jì)偉,鄭晗,鐘磊等.有源濾波器MAX274的實(shí)用性設(shè)計(jì)[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2007，15(1):43-45.

Design and Simulation of Eighth-order Bandpass Analog Filter Based on MAX274

CHENG GuangyuWU HaoranTANG Jinsong

(College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering,Wuhan430033)

In order to achieve required eighth-order bandpass analog filter design fast and accurately,to ensure the performance of filtering and gain of underwater acoustic signal receiver system,a design that implementing eighth-order bandpass analog filter quickly is proposed in this paper which is based on the MAX274 chip of Maxim.Combined with the index of underwater acoustic signal receiver system,the filter design software parameters are setted,bandpass filter frequency response curve is obtained and verified by Multisim simulation,it’s observed that the bandpass filter’s filtering and gain performance in the corresponding frequency band is fine.The advantages of small size,monolithic integration and convenient debugging,make the MAX274 chip more suitable for the filter design of the system.

MAX274,Butterworth bandpass filter,Multisim simulation

2016年3月19日,

2016年4月25日

國防預(yù)研基金項(xiàng)目(編號：9140A31010114MQ01)資助。

程光宇，男，碩士研究生，研究方向：水聲信號處理。

TP391DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.016