濾波器的使用與設計

　　簡(jiǎn)介：在電子系統里濾波器是很見(jiàn)的組成部分，可以通過(guò)R,L,C的搭配組成各種濾波電路。一階RC濾波器的截止頻率等于1/2*pi*RC.，R,C,L串聯(lián)可以搭建二階帶通濾波器等等。

　　在電子系統里濾波器是很見(jiàn)的組成部分，可以通過(guò)R,L,C的搭配組成各種濾波電路。一階RC濾波器的截止頻率等于1/2*pi*RC.，R,C,L串聯(lián)可以搭建二階帶通濾波器等等。

　　在電源處理時(shí)經(jīng)常會(huì )用到濾波器。為了保證輸入到芯片的電源電壓的穩定，通常的做法是在VCC和地之間跨接一個(gè)大電容和一個(gè)小電容并聯(lián)。也可以采用RC濾波的方式來(lái)實(shí)現電源的穩定，最好不要在電路板電源的根部采用RC濾波，而是在需要電源濾波的芯片處采用RC濾波，因為電阻的存在必然導致分壓，如果在電源根部RC濾波電路板整個(gè)板子的電流大的話(huà)會(huì )在R上形成很大的壓降，導致輸出電壓變小，而在芯片根處采用RC濾波，一般芯片的工作電流在幾十mA，這時(shí)R的選擇余地會(huì )比較大，而且濾波效果較好。LC濾波我不經(jīng)常使用，不是很了解，不知道大家的理解如何。

　　最近使用了美信的可編程濾波器和引腳可配置濾波器，它們采用都是開(kāi)關(guān)電容濾波器。

　　這幅圖說(shuō)的比較清楚，實(shí)際上就是用開(kāi)關(guān)電容(SC)來(lái)取代電阻器，開(kāi)關(guān)K置于左邊時(shí),信號電壓源u1向電容器C1充電;K倒向右邊時(shí)，電容器C1向電壓源u2放電。當開(kāi)關(guān)以高于信號的頻率fc工作時(shí),使C1在u1和u2的兩個(gè)電壓節點(diǎn)之間交替換接,那么C1在u1、u2之間傳遞的電荷可形成平均電流I=fC1(u1-u2)，相當于圖1a的u1和u2之間接入了一個(gè)等效電阻,其值為1/fC1。

　　推導是這樣的：在信號源向電容充電時(shí)Q=C1*U,然后這個(gè)電流供給運放使用，因此平均電流為I=C1*U/T,如果T足夠短，可以近似認為這個(gè)過(guò)程是連續的，因而可以在兩節點(diǎn)間定義一個(gè)等效電路Req=U/I=T/C1=1/f*C1。這個(gè)電路的等效時(shí)間常數就是τ=RC2=C2/f*C1.

　　我開(kāi)始使用的是MAX274，這款開(kāi)關(guān)電容濾波器是通過(guò)改變引腳的電阻值來(lái)改變中心頻率f0，增益G，帶寬Q。它不需要外接時(shí)鐘信號來(lái)提供開(kāi)關(guān)頻率用，估計是采用了內部RC振蕩電路。設計MAX274是美信官網(wǎng)上有個(gè)輔助軟件，把所需的參數輸進(jìn)去，會(huì )自動(dòng)計算出各個(gè)電阻的阻值，實(shí)踐發(fā)現即使自己搭電路的阻值取得跟軟件計算出的阻值有一點(diǎn)差別，中心頻率等差別也不會(huì )很大。

　　后來(lái)覺(jué)得274改變參數太麻煩，采用了另外一款開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX262，這是個(gè)引腳可編程濾波器，使用起來(lái)非常方便，需要外接時(shí)鐘信號提供f。這樣的好處是開(kāi)關(guān)頻率非常穩，使得中心頻率也能夠做到跟設定值1%的誤差。使用MAX262也有個(gè)輔助軟件，但我覺(jué)得這個(gè)軟件計算的MAX262的參數值是錯的，還是以數據手冊為準!使用MAX262也很方便，就是往寄存器里寫(xiě)入幾個(gè)值(應該是ROM型，掉電不丟失)，通過(guò)給定的時(shí)鐘頻率，然后除以想要的中心頻率，得出的N值寫(xiě)出寄存器就可以了，N通過(guò)查表可以得到，這樣可以設定F0.同時(shí)可以設定Q，Q對應的也有N值，寫(xiě)到對應的寄存器里。Q值一方面是帶寬，另一方面也等于放大倍數。只要時(shí)序正確，寫(xiě)入數據也不困難。

　　在使用中也遇到了一些問(wèn)題：這就是像這些濾波器的增益千萬(wàn)不要調的太大，比如1000倍，因為這時(shí)候當輸入引腳有噪聲存在時(shí)，噪聲中肯定有你設定的中心頻率F0的分量，由于濾波器的優(yōu)異性能，它會(huì )把噪聲里的F0分量給放大出來(lái)到輸出端，導致有效信號反而無(wú)法檢測，這也是使用過(guò)程中應該留意的!

　　網(wǎng)友1評論：開(kāi)關(guān)濾波電容替代電阻還是有些問(wèn)題吧!首先切換速度足夠快也就是切換頻率足夠高，能夠使得濾波頻率范圍足夠廣，那么就需要信號源是理想信號源，才能以足夠快的速度對開(kāi)關(guān)切換電容進(jìn)行充電。這是開(kāi)關(guān)切換電容工作頻率范圍的基礎!然而僅僅如此還不足夠，電容的放電速度也是限制工作頻率范圍的限制之一啊!

　　作者回復：恩，謝謝回復。你說(shuō)的很對。開(kāi)關(guān)電容濾波器實(shí)際就是利用參考信號通過(guò)電容對被測信號進(jìn)行采樣來(lái)實(shí)現的。fclk/f0當f0太大的時(shí)候已經(jīng)不能看成是連續的充放電了，芯片內部的放電時(shí)間常數τ應該是經(jīng)過(guò)精心設計的，放電時(shí)間常數小于開(kāi)關(guān)頻率。我覺(jué)得在符合芯片數據手冊要求的范圍內開(kāi)關(guān)電容濾波器的性能要強于自己搭建的RC濾波電路，自己大的帶寬太寬，而且RC離散性太大。不過(guò)如果對信號不是選頻放大到也無(wú)所謂。

　　網(wǎng)友2評論：不錯，但是需要根據信號頻率來(lái)選擇切換頻率。切換頻率能夠做到多高，要根據芯片的特性確定。