基于MAX274的低通濾波器設(shè)計(jì)方法

王 偉，鄧秀華，張 恒

（1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

多種海洋環(huán)境要素構(gòu)成的海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是提高海上戰(zhàn)斗力并使武器裝備保持優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在，為了利用深海聲道（DSC）和可靠聲道取得良好的探測(cè)效果，一般需要將聲吶或探測(cè)器布放在很大的深度上。大深度水聲測(cè)量潛標(biāo)將聲換能器陣列與水文采集設(shè)備結(jié)合，布放在深海聲道之下更深處，不但能夠長(zhǎng)期定點(diǎn)采集深海水文信息，而且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離不同方位對(duì)目標(biāo)信號(hào)的連續(xù)測(cè)量與處理，具有很高的海域適用性。大深度水聲測(cè)量潛標(biāo)，要求其既能適應(yīng)水下裝備研制過程中對(duì)海洋背景噪聲的急迫測(cè)量需求，又要能遠(yuǎn)距離探測(cè)低噪聲艦艇并實(shí)時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。水聲測(cè)量處理系統(tǒng)的主要目的是通過對(duì)水平陣列和垂直陣列以及立體陣列的聲信號(hào)處理，預(yù)報(bào)聲吶性能，實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域和水深的聲場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)和時(shí)間變異的測(cè)量與分析，并且遠(yuǎn)距離探測(cè)諸如潛艇等微弱水聲信號(hào)，研究艦船輻射噪聲平面與立體空間特性，其研究成果能直接為水雷、預(yù)置式武器等水中兵器服務(wù)。該測(cè)量系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率小于10 kHz，垂直陣水聽器陣列陣元數(shù)16元，圓環(huán)陣陣元數(shù)16元，通道間幅度一致性小于2 dB，相位一致性小于2°，采集存儲(chǔ)時(shí)間大于100 h，值班時(shí)間大于6個(gè)月。

基于 DSP的水聲參數(shù)測(cè)量裝置已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)，如何去除帶外干擾噪聲、提高信號(hào)采集的質(zhì)量、準(zhǔn)確獲取目標(biāo)特征是設(shè)計(jì)的一個(gè)難題[1]。目前，多數(shù)測(cè)量裝置的前置模擬低通濾波器仍然由運(yùn)算放大器和電阻、電容來實(shí)現(xiàn)。一般來說，具有較大R值的R、C濾波器是比較理想的，它不會(huì)產(chǎn)生明顯的諧振[2]，但在信號(hào)頻率為幾千赫茲以上或傳輸率為kb/s以上的電路中，高R值是不適合的[3]；而且當(dāng)工作頻率較高時(shí)，元件周圍的雜散電容將會(huì)嚴(yán)重影響濾波器的特性[4]；由于階數(shù)高，使用的元器件也比較多，還會(huì)造成濾波器參數(shù)調(diào)整困難；最終設(shè)計(jì)的低通濾波器效果不是很好。MAXIM公司推出的MAX274為4通道單片集成，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)多路、高階模擬濾波器的芯片[5]。

1 MAX274簡(jiǎn)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4個(gè)獨(dú)立、可級(jí)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。最高中心設(shè)計(jì)頻率可達(dá)150 kHz，最后一個(gè)運(yùn)放輸入端的5 K電阻將積分電容與外管腳的寄生電阻隔離，大大提高了濾波器極點(diǎn)的精度[6]。單個(gè)二階濾波單元其中心頻率 F0、品質(zhì)因素Q、帶通增益HOBP、低通增益HOLP均可由其外接電阻R1～R4的設(shè)計(jì)來確定[7]。通過配置各單元外接電阻的阻值，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。

圖1 MAX274內(nèi)部二階濾波單元Fig.1 MAX274 internal second-order filter unit

MAX274芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)[8]：

1）只需外接電阻，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且受雜散電容影響?。?/p>

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-86 dB；

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

根據(jù)濾波單元原理圖，單個(gè)二階濾波單元通過外接4個(gè)電阻設(shè)計(jì)，其余元件封裝在芯片內(nèi)，并有準(zhǔn)確參數(shù)。其中心頻率 F0、品質(zhì)因素 Q、低通增益HOLP、低通系統(tǒng)函數(shù)G（S）OLP與外接電阻之間的關(guān)系如式（1）-（4）所示[9]。

根據(jù)以上關(guān)系式，且有R4=R2-5k，則可得R1、R2、R3電阻值，芯片引腳 FC為工作方式及頻率選擇。當(dāng)FC接高電平時(shí)，RX/RY 取值為4/1；當(dāng)FC接地時(shí)，RX/RY 取值為 1/5；當(dāng) FC接低電平時(shí)，RX/RY 取值為1/25。

通過調(diào)整外接的幾個(gè)電阻，可以組成各種高階有源低通濾波器，如 Butterworth、Chebyshev、Bessel和Elliptic等。

巴特沃斯濾波器作為迄今為止用得最多的濾波器，其幅頻響應(yīng)在通帶內(nèi)非常平坦，過渡帶的衰減速度比巴塞爾濾波器要快，在阻帶范圍內(nèi)響應(yīng)沒有波紋[10]，所以非常適合作為數(shù)據(jù)在采集系統(tǒng)中的使用。

2 Butterworth低通濾波器設(shè)計(jì)

MAXIM 公司為 MAX274提供了免費(fèi)的濾波器設(shè)計(jì)軟件，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4個(gè)外接電阻的阻值。本文以設(shè)計(jì)截止頻率 F0=10 kHz的低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)。

1）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。

圖2 設(shè)計(jì)軟件主界面Fig.2 Main interface of design software

2）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。設(shè)置類型（Type）為低通（Lowpass），低通濾波器以 Butterworth濾波器最佳，其通帶內(nèi)最為平坦，MAX274芯片濾波單元階數(shù)（order）為二階，通帶最大衰減（Amax）設(shè)置為3 dB，同時(shí)阻帶最小衰減（Amin）變?yōu)?2.285 dB，中心頻率設(shè)置為10 kHz。參數(shù)設(shè)置完成后，按ESC鍵返回圖2的主界面，選擇第二項(xiàng)，進(jìn)行MAX274外接電阻的設(shè)計(jì)。

圖3 濾波器參數(shù)設(shè)置界面Fig.3 Parameter setting interface of filter

3）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4所示。按[Ctrl+G]可以設(shè)置帶通增益，本設(shè)計(jì)為14 dB。

圖4 二階濾波單元參數(shù)設(shè)置界面Fig.4 Parameter setting interface of second-order filter unit

4）按R鍵可以查看單個(gè)二階濾波單元的電路圖，如圖 5所示，當(dāng)外接電阻阻值過大時(shí)（一般以4 MΩ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）。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 二階濾波單元電路圖Fig.5 Circuit diagram of second-order filter unit

3 電路實(shí)現(xiàn)

一般來說，濾波器止帶處的特性曲線變化陡峭，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(gè)中心頻率、品質(zhì)因數(shù)非常重要，它將直接影響到濾波器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，甚至最終的濾波效果。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，低通濾波器截止頻率F0為10 kHz，增益14 dB，在通帶內(nèi)有良好的平坦度，在接近截止帶產(chǎn)生快速的衰減。本文將2個(gè)濾波器單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)軟件得到的該4階低通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 低通濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of low-pass filter

在求出各個(gè)電阻值后，不要急著將它設(shè)計(jì)成電路，可以先通過MATHEMATIC或者是MATLAB等仿真軟件，對(duì)濾波器的頻譜進(jìn)行仿真。觀察不同的外接電阻值對(duì)整個(gè)頻帶的影響，以求得最佳的濾波特性。由表1參數(shù)根據(jù)MATLAB繪圖，得到濾波器的頻率相應(yīng)曲線，如圖6所示?？梢钥闯觯O(shè)計(jì)的四階Butterworth低通濾波器，在10 kHz通帶內(nèi)增益為14～15 dB，帶外衰減可達(dá)-80 dB/10倍頻程，仿真結(jié)果滿足性能設(shè)計(jì)要求。

圖6 低通濾波器頻率特性仿真曲線Fig.6 Frequency characteristic simulation curve of low-pass filter

設(shè)計(jì)出低通濾波器電路圖如圖7所示。利用丹麥 B&K公司推出的噪聲、振動(dòng)多分析儀系統(tǒng)PULSE version 12對(duì)搭建出來的多通道、四階Butterworth低通濾波器進(jìn)行測(cè)試，用寬帶掃頻（10 Hz ～ 20 kHz）方式測(cè)得各濾波器單元電路的幅頻特性。經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)的低通濾波器在通帶內(nèi)增益15 dB，8 kHz內(nèi)幅度波動(dòng)小于1 dB，帶外衰減-16 dB/2倍頻程，與仿真特性一致。系統(tǒng)不同通道間的相位差在±1°以內(nèi)，滿足通帶內(nèi)平坦性好、通道間一致性高的技術(shù)要求。

圖7 低通濾波器電路圖Fig.7 Circuit diagram of low-pass filter

該電路應(yīng)用于水聲測(cè)量潛標(biāo)，在南海海域與某型水聲發(fā)射潛標(biāo)進(jìn)行了聯(lián)合試驗(yàn)，發(fā)射潛標(biāo)信號(hào)為：30 s單頻+2 s間隔+30 s調(diào)頻+2 s間隔+30 s白噪聲，有效發(fā)射時(shí)間90 s，連續(xù)重復(fù)發(fā)射4次。測(cè)量潛標(biāo)數(shù)據(jù)記錄儀獲得的結(jié)果如圖8顯示：在發(fā)射信號(hào)時(shí)刻，系統(tǒng)采集到發(fā)射潛標(biāo)發(fā)射的完全相同4組信號(hào)，單組信號(hào)中，依次發(fā)射的 30 s單頻信號(hào)頻率：450 Hz，30 s調(diào)頻信號(hào)為正調(diào)頻，頻率從350 Hz變化到約700 Hz，頻譜最大的頻率為500 Hz，與標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射潛標(biāo)的發(fā)射信號(hào)頻率一致，相對(duì)誤差≤1%。結(jié)果進(jìn)一步說明了采用MAX274設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通濾波器達(dá)到了預(yù)期的濾波效果。

圖8 接收的濾波信號(hào)Fig.8 Received filtered signal

4 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)方案已應(yīng)用于某大深度潛標(biāo)水聲測(cè)量系統(tǒng)中，在南海海域與某型聲吶進(jìn)行了聯(lián)合試驗(yàn)，準(zhǔn)確采集并記錄了聲吶的頻譜特征，成功解決了目標(biāo)因環(huán)境噪聲等外部干擾原因而不能準(zhǔn)確測(cè)量的問題。系統(tǒng)在6個(gè)月的值班時(shí)間內(nèi)，完成了對(duì)試驗(yàn)海域的海洋噪聲環(huán)境監(jiān)測(cè)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果證明：采用 MAX274設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通濾波器達(dá)到了預(yù)期的濾波效果，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、應(yīng)用前景廣泛。