LTC1569濾波器在信號調理模塊中的應用

　　1 引言

　　信號調理電路是數據采集器中不可缺少的一部分。隨著(zhù)數據采集技術(shù)不斷發(fā)展，對信號調理電路的要求也越來(lái)越高，其電路設計的優(yōu)化程度直接關(guān)系到數據采集器的精度和穩定性。而濾波電路則是信號調理模塊的關(guān)鍵所在。普通有源濾波器是由運算放大器和電阻、電容組成，但參數調整困難，而且應用于頻率較高的場(chǎng)合，元件周?chē)姆植茧娙輰乐赜绊憺V波器的特性，使其偏離預定的工作狀態(tài)。普通有源濾波器還因為穩定性較差，較難實(shí)現窄帶寬的設計，不易獲得高Q值，難以滿(mǎn)足系統要求。本文設計的傳感器信號調理電路采用LTC1569型通用濾波器，能夠高精度濾波調理傳感器輸出信號，從而滿(mǎn)足數據采集器高精度和高穩定性的要求，與普通的有源濾波器相比。LTCl569組成的濾波器具有外接元件少，結構簡(jiǎn)單，參數調整方便和穩定性較好等優(yōu)點(diǎn)。

　　2 LTC1569簡(jiǎn)介

　　LTC1569是Linear公司生產(chǎn)的十階低通濾波器，截止頻率可調，最大截止頻率可達300 kHz(5 V供電)。它有很低的失調電流、漂移電流和偏置電流，并具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。工作電壓為3 V．5 V或者±5 V。

　　2．1 LTC1569的引腳功能

　　LTC1569采用8引腳SO封裝，各個(gè)引腳的功能如下：

　　IN+/IN-(引腳1，2)：信號輸入端。當信號由引腳1輸入時(shí)，輸出直流增益為1；而由引腳2輸入時(shí)，輸出直流增益為-1。

　　GND(引腳3)：濾波器的參考電壓，當單5 V電源供電時(shí)，其電壓為2 V；當3 V電源供電時(shí)，其電壓為1．11 V。V-/V+(引腳4，7)：濾波器電源正負輸入端。通常，在引腳4和引腳7之間接一只1μF的瓷片電容作為旁路電容以消除干擾，并且該旁路電容應盡可能靠近濾波器放置。如果雙電源供電，則引腳3接地，引腳4與引腳3以及引腳7與引腳3之間分別接一只0．1μF的旁路電容。

　　DIV／CLK(引腳5)：時(shí)鐘信號輸入端。該濾波器既可使用內部時(shí)鐘，也可使用外部時(shí)鐘。使用內部時(shí)鐘時(shí)，通過(guò)調節一只外接電阻改變截止頻率；使用外部時(shí)鐘時(shí)。任何TTL和CMOS占空比為50％的方波時(shí)鐘信號源都可作為時(shí)鐘信號輸入。時(shí)鐘信號源的供電電源不能作為濾波器的供電電源，濾波器的模擬地必須與時(shí)鐘信號源的模擬地連接在一起。Rx(引腳6)：在該引腳和引腳7(V+)之間接一只外接電阻Rx用以啟動(dòng)內部時(shí)鐘。該電阻值決定濾波器的截止頻率。當該引腳接到引腳4(V-)時(shí)，內部時(shí)鐘禁止。OUT(引腳8)：信號輸出端。

　　2．2 LTC1569的工作模式

　　LTC1569需要依靠一個(gè)時(shí)鐘來(lái)驅動(dòng)電路，可采用外部時(shí)鐘或者內部時(shí)鐘兩種方式。當使用外部時(shí)鐘時(shí)只需將引腳6(Rx)與引腳4(V-)短接。當采用內部時(shí)鐘時(shí)，需外接一只電阻REXT，其電路接法如圖1所示，電阻值與截止頻率，fCUTOFF的關(guān)系是：

　　當DIV／CLK引腳短接到V-引腳時(shí)。內部分頻設置為1：1：當DIV／CLK引腳通過(guò)一只100 pF的電容接V-引腳時(shí)，內部分頻設置為1：4；當DIV／CLK引腳短接到V+引腳時(shí)，內部分頻設置為1：16。

　　3 利用LTC1569實(shí)現抗混疊濾波

　　3．1 低通濾波電路

　　本設計要求截止頻率為2 kHz，根據外接電阻和截止頻率的關(guān)系得到外接電阻REXT=40 kΩ，將DIV／CLK引腳短接到V+引腳。濾波電路連接如圖2所示。

　　該電路采用單電源供電模式，因此V+引腳接+5 V電源，C11為電源濾波電容，以確保輸入電壓質(zhì)量。R9和R12為分壓電阻。通過(guò)分壓得到GND引腳的參考電壓為2 V。IN+引腳為信號輸入引腳，OUT引腳為電路輸出引腳，通過(guò)該濾波電路即可輸出性能良好的波形。R10設置濾波器的截止頻率，本設計要求截止頻率為2 kHz，經(jīng)計算得到R10=40 kΩ，實(shí)驗中測量了不同頻率下LTC1569的輸入和輸出幅值，如表1所示。

　　由表1可以看出，當輸入頻率f=100 Hz、f截止=200 Hz時(shí)輸出信號開(kāi)始衰減，當f=f截止=2 kHz時(shí)，輸出信號的幅值為輸入信號的0．707倍，符合低通濾波電路的幅頻特性，保證了濾波電路的截止頻率為2 kHz。

　　另外，信號經(jīng)LTC1569輸出后需加入電壓跟隨器。因為濾波器的輸出阻抗比較高，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會(huì )有相當的部分損耗在前級的輸出電阻中，這就需電壓跟隨器進(jìn)行緩沖，降低輸出阻抗。

　　3．2 設計中注意事項

　　應用LTC1569設計低通濾波器時(shí)，應注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

　　(1)該設計中，LTC1569采用內部時(shí)鐘工作方式，其電路結構簡(jiǎn)單，截止頻率由外接電阻決定，因此要選取精確度至少為1％的精密電阻，調試時(shí)需要按計算值做適當調整，以保證截止頻率的精確。另外當采用單+5 V電源供電時(shí)，該外接電阻的阻值范圍應在3．8~40 kΩ。

　　(2)采用單+5 V電源供電，因此V-引腳接地，GND引腳通過(guò)分壓電阻分壓獲得一個(gè)2 V的參考電壓。GND引腳與V-引腳需要接一只1μF的電容。

　　(3)信號經(jīng)低通濾波器后輸出波形相位通常與原來(lái)的信號不一致，輸入信號與輸出信號之問(wèn)容易產(chǎn)生相移，為了消除相移而又不影響輸出信號的幅值?？稍跒V波輸出后級加等幅的移相電路。

　　4 實(shí)驗結果分析

　　根據以上分析，利用LTC1569搭建濾波電路。根據輸出要求，截止頻率設定為2 kHz，外接電阻阻值為40 kΩ，采用單5 V電源供電，上電后測量濾波電路的截止頻率，GND引腳電壓為2 V，符合LTC1569的工作要求。另外，在實(shí)驗中還使用M AX291濾波器設計濾波電路，用以對比2種濾波器件的濾波效果。MAX291是八階開(kāi)關(guān)電容低通濾波器，其使用方法與LTC1569基本相同，工作電壓為+5 V或者±5 V，可以采用外部時(shí)鐘和內部時(shí)鐘兩種方式，若使用內部時(shí)鐘，只需外接一只電容器。

　　現采用某傳感器信號作為輸入信號，經(jīng)設計的濾波電路后由數據采集器進(jìn)行采集，得到實(shí)驗結果：圖3a為未使用LTC1569進(jìn)行濾波采集到的信號波形，圖 3b為使用LTC1569進(jìn)行濾波采集到的信號波形，圖3c為使用MAX291進(jìn)行濾波采集到的信號波形。從圖3中可以看出。使用LTC1569進(jìn)行濾波后的波形比較平滑，而使用MAX291進(jìn)行濾波后信號則出現嚴重十擾。實(shí)驗證明LTC1569濾波電路對信號具有很好的濾波效果，高頻噪聲通過(guò)該濾波電路后可以完全濾除。但輸出波形與輸入波形存在相位偏移，這可以通過(guò)后置等幅相移電路進(jìn)行修正。

　　5 結論

　　LTC1569低通濾波器可廣泛應用于精度要求較高的系統中，與傳統有源濾波器相比，LTC1569實(shí)現抗混疊濾波器具有巨大的優(yōu)勢，由于它可通過(guò)一只外接電阻來(lái)設置截止頻率，使用起來(lái)非常方便靈活。由此可見(jiàn)，LTC1569在信號調理電路中具有廣泛的應用前景。