基于MAX274的多通道有源低通抗混迭濾波器的設計

盧育中 李春風

（91388部隊95分隊 湛江 524022）

1 引言

在水下目標測量試驗中，由于受海浪、海流沖擊等外部因素，造成獲取目標數(shù)據(jù)存在較大外部干擾信號，給目標數(shù)據(jù)分析處理帶來了較大的影響，如何去除外部干擾噪聲，提高信號錄取的質(zhì)量，準確獲取目標特征是測量系統(tǒng)設計的一個難題［1］。本文介紹了一種基于MAX274芯片［2］設計制作多通道抗混迭濾波器的設計方法并應用于實際水聲信號的采集記錄電路，得到了很好的實際應用效果，有效信號錄取的質(zhì)量。

2 濾波器的選擇

根據(jù)噪聲測量系統(tǒng)對水聲信號處理的實際測量要求，為了消除海洋中高頻的干擾噪聲，無失真還原信號，在A/D轉(zhuǎn)換采集記錄之前對水聽器信號進行抗混迭低通濾波處理，濾除高頻信號干擾，在低頻范圍內(nèi)，在接近通帶的止帶產(chǎn)生最佳的衰減，對濾波器特性諸如帶內(nèi)平坦度、帶外衰減、過渡帶寬度等參數(shù)有較高要求時，因此往往采用高階有源濾波器。通常的有源濾波器是由運算放大器及R、C電路組合而成［5］。由于階數(shù)高，因而使用的元器件也比較多，這樣設計出的RC有源濾波器進行參數(shù)調(diào)整特性亦會造成很大影響，最終的效果并不是很好。加之在設計RC濾波器時，我們還不得不考慮諧振現(xiàn)象。因此，一般說來，具有較大R值的RC濾波器是比較理想的，它不會產(chǎn)生明顯的諧振。但在信號頻率為幾kHz以上，或傳輸率為kb/s以上的電路中，高R值是不合適的。

Chebyshev濾波器［11］的設計就是為了在接近止帶產(chǎn)生最佳的衰減，即，具有最快的滾降。但是它在相位上不是線性的。也就是說，不同的頻率分量要至少受同時間延遲的支配。

Bessel型濾波器同受到廣泛應用的Buterworth濾波器相比，具有最佳的線性響應，但是滾降就慢得多，并且較早就開始滾降。逐次增大階次的Bessel濾波器能獲得改善的線性相位函數(shù)。

橢圓函數(shù)濾波器可以產(chǎn)生比Butterworth、Chebyshev或Bessel濾波器更陡峭的截止，不過卻在通帶和止帶代入內(nèi)容復雜的紋波，并造成高度的非線性相位響應［4］。

通過對比以上三種類型濾波器的特點以及在接近通帶的止帶產(chǎn)生最佳的衰減等系統(tǒng)設計要求，我們選擇了Chebyshev類型濾波器。

3 Chebyshev高階有源低通濾波器設計原理

3.1 MAX274芯片特點

MAXIM公司開發(fā)的8階連續(xù)時間有源濾波器芯片MAX274將4個二階節(jié)合而為一，最高中心設計頻率可達150kHz。該濾波器不需要外置電容，每個單元二階工的中心頻率F0、Q值，放大倍數(shù)均可由其外接電阻R1～R4的設計來確定。集成化后的二階節(jié)較之由運放和R、C電路組成的二階節(jié)，其外接元件少、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、不受運放頻響影響，對電路雜散電容也有更優(yōu)的抗干擾性。

MAX274是包含四個互相獨立的二階濾波單元的高效和集成芯片。通過調(diào)整外接的幾個電阻，可以組成各種高階有源低通、高通、帶通濾波器，如Butterworth、Chebyshev、Bessel和橢圓函數(shù)型等。

采用MAX274/275芯片設計高階的低通濾波器，對于相同設計指標，Chebyshev和橢圓函數(shù)型濾波器，所需二階節(jié)數(shù)少于Butterworth、Bessel型，并且MAX274不支持橢圓函數(shù)型帶通濾波器結(jié)構(gòu)。

圖1 二階濾波單元的原理圖

3.2 設計原理

根據(jù)MAXIM提供的濾波單元原理圖，我們可以先求出所需濾波器的頻譜（幅度譜）表達式，計算出濾波單元的傳輸函數(shù)，然后再通過調(diào)整濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q、增益G和帶通濾波器的中心頻率F0，用實際濾波器的頻譜來似合所需的頻譜，圖1是二階濾波單元的原理圖。

圖1中，整個濾波單元外接四個電阻R1、R2、R3、R4，其余元件封裝在芯片內(nèi)，并有準確參數(shù)。每個濾波單元有五個外接管腳，分別為輸入（IN）、帶通輸入（BPI）、帶通輸出（BPO）、帶通輸入（LPI）和低通輸出（LPO）。圖中

系統(tǒng)的截止頻率為：

低通濾波器直流輸出增益HOLP為

濾波低通信號輸出如圖2所示。

圖2 濾波低通信號輸出

圖中，系統(tǒng)傳遞函數(shù)G（s）為

根據(jù)以上關(guān)系式（1）可知，R2和R4的阻值決定截止頻率F0，且有，

由式（3）可知，電阻R3設置調(diào)整濾波器的口若懸河質(zhì)因數(shù)Q，

當Fc接高電平時，RX/RY取值為4/1；

當Fc接地時，RX/RY取值為1/5；

當Fc接低電平時，RX/RY取值為1/25；

電阻R1決定濾波器的增益G，R1的值與低通濾波通道的增益G成反比，且由以上公式有

當Fc接高電平時，RX/RY取值為4/1；

當Fc接地時，RX/RY取值為1/5；

當Fc接低電平時，RX/RY取值為1/25；

由式（9）～（12）可知，當?shù)屯V波器中心頻率F0確定下來以后，R2和R4的阻值就唯一的確定下來，并且在RX/RY值已知的條件下，Q值決定于R3，而系統(tǒng)增益G為R1與F0乘積的倒數(shù)，這樣，四個外接電阻與三個系統(tǒng)參數(shù)F0、Q、G之間的關(guān)系也就確定了。我們只需要通過改變F0、Q、G這三個參數(shù)，就可以得到所需要的幅度譜。

4 Chebyshev高階有源低通濾波器設計實踐

當濾波器的階數(shù)較高時，就需要通過多個濾波單元級聯(lián)來實現(xiàn)。一般來說，止帶處的特性曲線變化陡峭，因此，二階節(jié)的Q值較大，求出的電阻值一般也比較大；而中間部分的二階節(jié)則Q值較小，曲線平緩。合理地分配各個中心頻率非常重要，它將直接影響到濾波器的結(jié)構(gòu)復雜程度，甚至最終的濾波效果。

在求出各個電阻值后，不要急著將它設計成電路，可以事先通過MATHEMATIC或者是MATLAB對濾波器的頻譜進行仿真［12］。觀察不同的外接電阻值對整個頻帶的影響，以求得最佳的通帶。

圖3為四通道低通濾波器電路圖。

圖3 四通道低通濾波器電路圖

5 結(jié)語

該設計方案已應用于某型水下目標測量系統(tǒng)中，成功地解決了目標因環(huán)境噪聲等原因引起的外部干擾而不能準確測量的難題。實際應用證明，采用連續(xù)時間集成濾波器MAX274設計和制作的Chebyshev高階低通濾波器，其結(jié)構(gòu)簡單，易于設計，性能可靠，避免了傳統(tǒng)高階濾波器電子元件多、不宜調(diào)節(jié)的缺點。

但是值得提出的是，由于高階濾波器濾波節(jié)數(shù)多，因而不可避免地會帶來一些高噪聲，這對于弱信號來說是極為不利的，在實際應用中就出現(xiàn)了高頻測距信號不能完全濾除的現(xiàn)象；另外，模擬濾波器在通帶范圍內(nèi)還會產(chǎn)生一定的相移，這也是實際操作過程中需要考慮的因素。