抗混濾波_大學課程設(shè)計說明書

1、第 0 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 目目 錄錄 1.1.前言前言 .1 1 2.2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計 .2 2 2.1 方案比較 .3 2.2 方案論證 .3 2.3 方案選擇 .4 3 3 單元模塊設(shè)計單元模塊設(shè)計.5 5 3.1 前置放大器.5 3.2 電源電路.6 3.3 時鐘電路.8 3.3.1ICL8038 的簡介 .8 3.3.2 時鐘電路的設(shè)計 .9 3.4 分頻電路.10 3.4.1 數(shù)字鎖相環(huán) CC4046.11 3.4.2 分頻電路的設(shè)計 .12 3.5 抗混疊濾波電路.13 3.5.1 產(chǎn)生混疊的來源 .13 3.5.2 抗混疊濾波器的選擇 .13

2、 3.5.3 開關(guān)電容濾波器 .14 3.5.4 濾波器電路設(shè)計 .17 4 4 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 .2020 5 5 系統(tǒng)功能和指標參數(shù)系統(tǒng)功能和指標參數(shù) .2121 5.1 系統(tǒng)功能 .21 5.2 系統(tǒng)指標參數(shù).21 6 6 設(shè)計總結(jié)和體會設(shè)計總結(jié)和體會 .2222 6.1 設(shè)計總結(jié).22 6.2 設(shè)計的收獲體會.22 致致 謝謝 .2323 【參考文獻參考文獻】 .2323 附錄附錄 抗混疊濾波電路總圖抗混疊濾波電路總圖 .2424 第 1 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 1.1.前言前言 隨著“信息時代”的到來,對信號的分析顯得越來越重要。而頻譜分析儀對于信號 分析來說是不可少的

3、。它是利用頻率域?qū)π盘栠M行分析、研究，同時也應(yīng)用于諸多領(lǐng) 域，如通訊發(fā)射機以及干擾信號的測量，頻譜的監(jiān)測，器件的特性分析等等。各行各 業(yè)、各個部門對頻譜分析儀應(yīng)用的側(cè)重點也不盡相同。但是，無論在哪一個行業(yè)，我 們都要求頻譜分析儀具有良好的抗混疊濾波作用，以防止外界的干擾。其中，MAXIM 公 司生產(chǎn)的 MAX291/292/293/294/295/296/297 系列 8 階低通開關(guān)電容濾波器由于使用方 便（基本上不需外接元件） 、設(shè)計簡單（頻率響應(yīng)函數(shù)是固定的，只需確定其拐角頻率 即截止頻率)、尺寸?。ㄓ?8-pin DIP 封裝）等優(yōu)點，在 ADC 的反混疊濾波、噪聲分 析、電源噪聲抑制等

4、領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 MAX291/295 為巴特沃思型濾波器，在通頻帶內(nèi)，它的增益最穩(wěn)定，波動小，主 要用于儀表測量等要求整個通頻帶內(nèi)增益恒定的場合。MAX292/296 為貝塞爾 （Bessel）濾波器，在通頻帶內(nèi)它的群時延時恒定的，相位對頻率呈線性關(guān)系，因此 脈沖信號通過 MAX292/296 之后尖峰幅度小，穩(wěn)定速度快。 MAX293/294/297 為 8 階圓 型（Elliptic）濾波器，它的滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過渡帶可以作得很窄。 在橢圓型濾波器中，第一個傳輸零點后輸出將隨頻率的變高而增大，直到第二個零點 處。這樣幾番重復就使頻響呈現(xiàn)波浪形。在 MAX29X 系列濾波

5、器集成電路中，除了濾波 器電路外還有一個獨立的運算放大器（其反相輸入端已在內(nèi)部接地） 。用這個運算放大 器可以組成配合 MAX29X 系列濾波器使用后的濾波、反混濾波等連續(xù)時間低通濾波器。 為實現(xiàn)頻譜分析儀的抗混疊濾波，在系統(tǒng)構(gòu)建時選取了 MAXIM 公司生產(chǎn)的 MAX291 巴特沃思型濾波器。同時采用了A741 運算放大器組成反相加法電路與 MAX291 相連。 并且,由 ICL8038 和 CC4046 為其提供時鐘信號。 第 2 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計 頻譜分析儀的信號流程如圖 2.1所示,本文只要求設(shè)計抗混疊濾波部分，并且要 求中心頻率

6、為5KHz,3dB帶寬為2 KHz,動態(tài)范圍120dB,失真度最大可達到 -70 dB,工 作溫度范圍。c o 0c o 70 圖2.1 頻譜分析儀的信號流程 理論上如果遵守抽樣定律，即 2,就可以避免鏡像效應(yīng)產(chǎn)生。實際上的信 s f c f 號譜并不是矩形截止的，同時由于時域有限，高頻分量不可避免。因此，在進行信號 處理之前，采用模擬低通濾波器來抑制大于/2的信號頻率，這就是抗鏡像濾波器(也 s f 稱作抗混疊濾波器)。在通帶范圍，為了不產(chǎn)生畸變，希望他有平坦的振幅特性和緩變 的相位特性；為了抑制鏡像效應(yīng)，要求他有足夠的阻帶衰減；而為了獲得盡可能大的 分析范圍，又不至于產(chǎn)生頻譜折疊，希望過渡

7、帶陡峭。 第 3 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 2.12.1 方案比較方案比較 方案一 隔 直 比較 整 形鎖相環(huán) 濾 波 輸 入 輸 出 方案二 前置放大抗混濾波加法電路 時鐘電路 偏置電路 電 源 電 路 分頻電路 這兩種方案其實在整體結(jié)構(gòu)上沒有什么區(qū)別，只是具體電路的不同。但都可以實 現(xiàn)抗混疊濾波，跟蹤信號的功能。 2.22.2 方案論證方案論證 方案一 利用鎖相環(huán)的輸出信號動態(tài)跟蹤輸入信號頻率的這一特點，將 VCO 的輸出信號經(jīng) 一分頻器后送入相位比較器，則鎖定時 VCO 輸出信號的頻率將等于 K 倍的輸入信號的 頻率，即，適當?shù)剡x擇分頻系數(shù) K 就可以得到所需要的倍頻信號的輸出

8、。在此間， i Kf 第 4 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 先要對輸入的信號進行隔直、平移、整形。該電路主要由輸入信號、隔直電容、平移、 整形、測頻電路、倍頻電路、開關(guān)電容、濾波組成。 方案二 因為 MAX291 的截止頻率是隨著輸入時鐘的變化而變化的，且1001， clk f c f 因此它的抗混疊濾波的截止頻率就是 10 倍的信號輸入頻率，也即 10clk，而且可以隨 著輸入頻率的變化而變化，從而起到了跟蹤濾波的功能。前置放大器可以提高輸入阻 抗，偏置電路可以得到一個穩(wěn)定的直流偏壓，以配合后面的加法電路來抵消抗混疊濾 波器產(chǎn)生的零點電壓。加法電路除了可以消除零點電壓外，還可以起到一定

9、的放大作 用。 2.32.3 方案選擇方案選擇 方案一中不需要時鐘電路來驅(qū)動濾波器工作，也不需要分頻電路來實現(xiàn)滿足 MAX291 所需要的時鐘頻率，而且只需要一些簡單的電阻、電容即可實現(xiàn)濾波處理，而 方案二卻還需要很多集成芯片來完成。但是，單純的使用電阻和電容來實現(xiàn)濾波處理， 效果不是很好。而且 MAX291 的截止頻率可以隨著輸入時鐘的變化而變化，這樣，還可 以起到跟蹤輸入信號頻率的作用。對于頻譜分析儀，顯然要求抗混疊濾波的性能很好， 所以，本次設(shè)計選用了方案二。系統(tǒng)電路總圖見附錄。 第 5 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 3 單元模塊設(shè)計單元模塊設(shè)計 3.13.1 前置放大器前置放大器

10、 前置放大器主要是為了提高電路的輸入阻抗,一般取 1:1 放大,即電壓跟隨器。但 如果需要進行放大，也可以使放大倍數(shù)大于 1。此處就選用電壓跟隨器。 圖 3.1 同相放大器 圖 3.2 電壓跟隨器 如圖 3.1 所示為同相放大器,其閉環(huán)電壓增益: 1 /1RRA FVF 輸入電阻 ici rR 輸出電阻 0 o R 平衡電阻 Fp RRR/ 1 由于,所以取,電路如圖 3.2 所示。1 VF A0 1 RRF 第 6 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 仿真時，給定的輸入信號為 1V 的直流電。端開開關(guān)： 放大器正相輸入端電壓為+0.95V，輸出電壓也為+0.95V。結(jié)果如圖 3.3 所示：

11、圖 3.3 斷開開關(guān)結(jié)果顯示圖 閉合開關(guān)： 放大器正相輸入端電壓為+0.91V，輸出電壓也為+0.65V。結(jié)果如圖 3.4 所示： 圖 3.4 閉合開關(guān)結(jié)果顯示圖 第 7 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 3.23.2 電源電路電源電路 本次設(shè)計中電路的工作電壓為+5V 和+12V，各集成芯片的工作電壓也為+5V 和 +12V，所以必須設(shè)計一個能輸出兩個電壓的穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源的電路圖如圖 3.5 所 示。 in 1 2 out 3 IC5 7812 C1 104 C2 104 D5 BRG1 C3 2200uF C4 100uF 1 BT1 TRANS02 C5 47uF D4 LED2

12、VS1 5.1V +5V +12V 信220V信16V VacVi VCC R1 1K VCC D6 圖 3.5 穩(wěn)壓電源電路 （1）電源變壓器次級電壓估計：Vi 大于 Vo+3V，所以 Vi 必須大于 15V 才能正常 工作。Vi=1.11.2Vac，所以交流側(cè)電壓大于 12.5V（電解電容非常大） ?？紤]到電解 電容并不是很大，為了穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定，交流電壓應(yīng)該大于 12.8V。考慮到整流橋正向壓 降，交流電壓應(yīng)大于 12.8V+20.7V=14.2V。由于市網(wǎng)電壓的波動，要求在市網(wǎng)電壓降 到 200V 時也能正常工作，有 200/220大于 14.2V，所以大于 15.6V。綜上所訴 ac

13、V ac V 交流變壓器負邊輸出電壓選取 16V。 （2）變壓器輸入功率估計：本設(shè)計中各元件都是低功耗的集成元件，假設(shè)負載電 流為 500mA,有效功率 12V0.5A=6W。正常情況下變壓器輸出功率約為： 16V1.20.5A=9.6W。當市網(wǎng)電壓升到 250V 時，變壓器的輸出功率為 9.6250/220=10.9W。小型電源變壓器的效率一般為 75%左右，因此電源變壓器的輸入 功率為：10.9/0.75=14.5W。根據(jù)具體情況選擇變壓器功率，如果 0.5A 是最大電流， 可以將變壓器功率取小些，本設(shè)計中選擇變壓器容量為 14VA。 （3）電容參數(shù)的選?。贺撦d電流為 500mA，若 Vi

14、 電壓為 15V，則等效負載電阻為 30 歐姆。電源頻率為 50 Hz ，則 T = 0.02 S。根據(jù) CRL =（3 5）T/2 則： （式 3-2-1）fRLTC16001000/ 2/)53( 第 8 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 電容耐壓應(yīng)大于即： ac V42 . 1 （式 3-2-2）VVc 5 . 14220/2501642 . 1 其中 250/220 是考慮市網(wǎng)電源電壓過高時情況。 （4）這個穩(wěn)壓電路由電橋整流部分、電容濾波部分、穩(wěn)壓部分構(gòu)成。 （5）在對放大器進行供電時，同樣要用到電壓?？梢詫⒌玫降碾妷航覸12V12 到一個反相器上即可得到。 3.33.3 時鐘電路

15、時鐘電路 本設(shè)計中的時鐘電路采用的是 ICL8038 單片集成電路函數(shù)發(fā)生器。ICL8038 是采用 肖特基勢壘二極管等先進工藝制成的單片集成電路芯片，外部只需接入很少的元件即 可工作，可同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。 3.3.1ICL8038 的簡介的簡介 ICL8038 的工作頻率范圍在幾赫茲到幾百千赫茲，其內(nèi)部組成如圖 3.6 所示,引腳 圖 3.7 所示。 Q 18 Q 19 R 20 S 21 A2 A1 信信信 U? 信信信 8.2K 33K 信信信 IA R? 2IB S? 信 信 信 信 信 7 F M -B 4 F M -IN AD JF 2 5 1110C 1V-/G ND

16、 2 S IN TR1 3 AD JS 2 12 6 V+ AD JS 11 S Q 9 圖 3.6 ICL8038 內(nèi)部組成框圖 第 9 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 圖 3.7 ICL8038 引腳圖 兩個比較器A1、A2的基準電壓。由內(nèi)部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)提供。觸發(fā)器3/2Vcc3/Vcc FF的輸出端Q控制外接定時電容的充、放電。充、放電流IA、IB的大小由外接電阻決定， 當IA=IB時輸出三角波，否則為鋸齒波。圖中開關(guān)由內(nèi)部觸發(fā)器進行控制，用來切換流 向定時電容c的恒流電流。開關(guān)斷開時，恒流源向電容C 充電，當電容c 上電壓充電 A I 至電源電壓的23時， 比較器A1置位觸發(fā)器，使

17、開關(guān)由斷開轉(zhuǎn)為接通， 電容c 的電 荷經(jīng)恒流源2以恒流放電，電容c 上的電壓直線下降，當降至電源電壓的13時， B I 比較器A2復位觸發(fā)器，使開關(guān)由接通轉(zhuǎn)換為斷開，由恒流源再次向電容C充電，如此 A I 反復， 可得到振幅為13V 的三角波，經(jīng)過內(nèi)部的三角波正弦波變換器輸出正弦波。 ICL8038 的三角波正弦波變換由內(nèi)部三極管開關(guān)電路與分流電阻構(gòu)成的五段折線 近似電路完成。調(diào)整三極管的靜態(tài)工作點，可以改善正弦波的波形失真，在 1 腳 ADJS1 端與 6 腳 V+電源端間接電位器可以改善正弦波的正向失真，在 12 腳 ADJS2端與地間接 電位器可以改善正弦波的負向失真。ICL8038 可

18、以采用單電源（+10V+30V）供電，也 可以采用雙電源（5V15V）供電。 3.3.2 時鐘電路的設(shè)計時鐘電路的設(shè)計 ICL8038 組成的函數(shù)發(fā)生器如圖 3.8 所示?？梢酝ㄟ^電阻和電容與電源相連接來 8 V 提供電位，通過改變阻值，就可以改變直流電位的大小。越高,、越小，輸 8 V 8 V A I B I 出頻率越低，反之亦然。因此，ICL8038 又稱為壓控振蕩器（VCO）或頻率調(diào)制器（FM） 。 此處，是由 7 腳提供固定電位的，這時，輸出頻率僅由、及電容 C 決定。 8 V o f A R B R 第 10 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 當=時，輸出頻率為： A R B R

19、(式 3-3-1)/(33. 0RCfo 在給定電容（）、電阻（R1=R2=10K）、電源電壓（V=10V）條件下，改變管pfc100 腳 8 的控制電壓，振蕩頻率也會隨之改變，管腳 8 的控制電壓越大，2、3、9 管腳的輸 出波形的頻率越小。在管腳 11、12 以及電源之間接入電阻是為了減少輸出波形的失真。 圖 3.8 ICL8038 組成的函數(shù)發(fā)生器 根據(jù)式子 3.3.1 可知 （式 3-3-2）fRC/33 . 0 令 ICL8038 所產(chǎn)生的時鐘頻率為 20,即,由此可得kHzkf20 （式 3-3-3） 4 10165 . 0 /33 . 0 fRC 設(shè),則pfC4700 kR51

20、. 3 3.43.4 分頻電路分頻電路 由于 ICL8038 輸出的波形頻率為 20,不能直接作為 MAX291 的時鐘信號,故需KHz 要經(jīng)過分頻電路來將其頻率調(diào)整到所需要的頻率。本設(shè)計所采用的分頻電路是由數(shù)字 第 11 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 鎖相環(huán) CC4046 構(gòu)成的。 3.4.13.4.1 數(shù)字鎖相環(huán)數(shù)字鎖相環(huán) CC4046CC4046 鎖相環(huán)CC4046集成電路的主要特點是電源電壓范圍寬(318V)、功耗低(600mW ) 和輸入阻抗高， 它還具有幾個獨立的電路單元， 每個單元通過管腳單獨連接便可形 成各種各樣的實用電路，使用起來極為方便。其內(nèi)部電路框圖如圖3.9所示。

21、 圖 3.9 CC4046 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 從圖3.9可以看出，鎖相環(huán)包含了兩個不同類型的相位比較器、一只齊納二極管、 跟隨器和壓控振蕩器。相位比較器PC1是個異或門，具有較好的噪聲抑制能力， 但必 須在3腳和14腳上用對稱的方波(即占空比為50 )激勵能獲得最大的鎖定范圍。它鎖定 在壓控振蕩器的諧波上， 捕獲頻率的范圍較窄。另外，它的相位差能在0180之 間變化， 這在實際應(yīng)用中很有用處。相位比較器PC1是邊緣觸發(fā)邏輯雙穩(wěn)電路，它在3 腳和H腳上可以用完全不對稱的方波激勵，而在VCO輸出端獲得對稱的方波，其相位差 只是由兩個脈沖的上跳沿觸發(fā)。由于其最大捕獲頻率范圍與輸入信號波形的占空比 低 遁濾

22、波器的RC 時間常數(shù)無差，所以具有很寬的捕獲頻率范圍， 即捕獲頻率具有自動 掃描功能，使系統(tǒng)迅速進入鎖定狀態(tài)。壓控振蕩器是個寬頻帶器件，又是一個電壓 第 12 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 頻率變換器，能輸出波形很好的對稱方波， 最高頻率可達15MHz，其工作頻率由9腳 上的電壓、6腳和7腳間的電容值及R1、R2的阻值確定(R1確定最高頻率，R2確定最低頻 率)。 濾波器的截止角頻率為： W=1/(R + R ) C （式 3-4-1） 342 3.4.23.4.2 分頻電路的設(shè)計分頻電路的設(shè)計 數(shù)字鎖相環(huán) CC4046 所組成的倍（分）頻電路如下圖 3.10 所示： 圖 3.10 鎖相

23、倍（分）頻電路 鎖相倍（分）頻是將一種頻率變化為另一種頻率，將高頻率轉(zhuǎn)換為低頻率，或者 將低頻率轉(zhuǎn)換為高頻率。雖然，用前面所學的分頻或倍頻電路，是無法實現(xiàn)的，但用 鎖相環(huán)則很容易實現(xiàn)。上圖所示為用 CC4046 實現(xiàn)任意數(shù)字的倍頻或分頻電路。其中， 和是兩個分頻比分別為 M 和 N 的分頻器，該設(shè)計中亦采用此分頻電路。當MN CC4046 工作在鎖定狀態(tài)時，則有 （式 3-4-2） N f M fi 0 故 （式 3-4-3） i f M N f 0 第 13 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 由于 ICL8038 的輸出信號頻率為 20，即，但是根據(jù)設(shè)計的要求，KHzKHzfi20 MAX

24、291 所需要的時鐘頻率為 200，因此KHz （式 3-4-4）10/MN 此處取，1m10n 3.53.5 抗混疊濾波電路抗混疊濾波電路 3.5.13.5.1 產(chǎn)生混疊的來源產(chǎn)生混疊的來源 對電網(wǎng)信號進行高次諧波分析時，一般采用離散傅里葉變換。離散傅里葉變換意 味著在時間域和頻率域兩方面的周期化，周期化的結(jié)果帶來一些新問題，這就是鏡像 效應(yīng)和頻率泄漏。鏡像效應(yīng)是由于抽樣的頻率不夠高，在頻率域周期化時產(chǎn)生了頻譜 的折疊而引起的。假設(shè)時域的抽樣問隔為 ，即抽樣頻率。如果時間函數(shù)ttfs /1 的上限頻率為 ，且，那么若以對抽樣，就相當于把函數(shù)的)(th c f2/ sc ff s f)(th)

25、(th 頻譜以為周期在頻率軸上進行周期延拓，在 點與點之間發(fā)生了頻)( fH s f s f c f c f 譜重疊。 點至點之間的頻譜就是原頻譜中頻率高于的那部分頻 s f c f c f)( fH2/ s f 譜鏡像到低于的那部分頻譜上，產(chǎn)生了頻率畸變，如圖 3.11 所示。2/ s f 圖 3.11 鏡象頻率畸變 第 14 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 3.5.23.5.2 抗混疊濾波器的選擇抗混疊濾波器的選擇 設(shè)計抗混疊濾波器需要首先確定所希望的濾波特性(截止頻率、過渡帶衰減等)， 然后選擇能夠滿足應(yīng)用需求的最佳濾波方案(有時稱為濾波器類型)。 最常用的模擬低通濾波器有巴特沃斯低

26、通濾波器、切比雪夫低通濾波器和橢圓濾 波器3種，巴特沃斯和切比雪夫低通濾波器的幅頻特性、相頻特性如圖3.12所示。巴特 沃斯濾波器的通帶平坦，相位特性最好，7階以上的截止特性和阻帶衰減率滿足抗鏡像 濾波器要求。切比雪夫濾波器有陡的過渡帶，但通帶內(nèi)有一定偏差，且相位特性差。 橢圓濾波器有最陡的通帶邊緣過渡特性，但相位特性也最差。由于測試電網(wǎng)諧波時， 必須計算功率，即計算電壓、電流的互相關(guān)，所以對相位的要求很高。根據(jù)3種濾波器 的特性和諧波測量要求，一般選用高階巴特沃斯濾波器作為抗混疊濾波器。 圖3.12 抗鏡象濾波器頻率特性 3.5.33.5.3 開關(guān)電容濾波器開關(guān)電容濾波器 集成濾波器有兩種類

27、型：連續(xù)時間濾波器和開關(guān)電容濾波器，連續(xù)時間濾波器通 常需要外部元件調(diào)節(jié)角頻率，從而限制了它們的靈活性。開關(guān)電容濾波器可以根據(jù)其 結(jié)構(gòu)靈活使用，一般情況下，可以替代分離或集成連續(xù)時間濾波器。 開關(guān)電容濾波器是一種很早就被人們認可的濾波器結(jié)構(gòu)，利用當前的硅工藝技術(shù) 能夠可靠集成。其工作原理和數(shù)學推導如圖 3.13 所示。工作原理是：在電容器兩端的 第 15 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 開關(guān)控制下，電容被充電、放電。這種電荷轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生脈沖電流，可以計算其平均 電流，當開關(guān)頻率足夠快時，該電流等效于流過電阻的電流，可看作是電阻被一個電 容所取代。電流和間接電阻值取決于兩個因素：電容大小和開

28、關(guān)頻率。開關(guān)頻率越高、 電容值越大，則電流越大，或者說，電阻值越小。如果采用這種濾波器結(jié)構(gòu)，頻率特 性將隨著電容尺寸或開關(guān)頻率的變化而改變。在集成方案中，電容值是固定的，濾波 特性受開關(guān)頻率的控制。這種濾波器的原理如圖 3.14 所示。 圖 3.13 開關(guān)電容原理框圖 圖 3.14 利用開關(guān)電容技術(shù)構(gòu)成簡單的濾波器 濾波器在近些年得到了迅速的發(fā)展，世界上一些知名的半導體廠家相繼推出了自 己的開頭電容濾波器集成電路，使形狀電容濾波器的發(fā)展上了一個新臺階。MAXIM 公司 生產(chǎn)的 MAX291/292/293/294/295/296/297 系列 8 階低通開關(guān)電容濾波器由于使用方便 （基本上不需

29、外接元件） 、設(shè)計簡單（頻率響應(yīng)函數(shù)是固定的，只需確定其拐角頻率即 截止頻率)、尺寸小（有 8-pin DIP 封裝）等優(yōu)點，在 ADC 的反混疊濾波、噪聲分析、 電源噪聲抑制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在 MAX29X 系列濾波器集成電路中，除了濾波 器電路外還有一個獨立的運算放大器（其反相輸入端已在內(nèi)部接地） 。用這個運算放大 器可以組成配合 MAX29X 系列濾波器使用后的濾波、反混濾波等連續(xù)時間低通濾波器。 MAX291為巴特沃斯型濾波器，在通頻帶內(nèi)，它的增益最穩(wěn)定，波動小，主要用于 儀表測量等要求整個通頻帶內(nèi)增益恒定的場合。可靠性和穩(wěn)定性高，避免了分立元件 第 16 頁 西華大學課程設(shè)計

30、說明書 說明書 的各種誤差、漂移影響。開關(guān)電容濾波器需要靠一個時鐘來驅(qū)動電路工作，該時鐘的 頻率應(yīng)為3 dB截止頻率的100倍通過調(diào)整時鐘，截止頻率的調(diào)整范圍為0.1KHz 25KHz?？捎猛獠繒r鐘也可用內(nèi)部時鐘作為截止頻率的控制時鐘。MAX291管腳圖如圖 3.15所示。 圖 3.15 MAX291 的管腳圖 管腳功能定義如下： CLK：時鐘輸入。 OP OUT：獨立運放的輸出端。 OP INT：獨立運放的同相輸入端。 OUT：濾波器輸出。 IN：濾波器輸入。 V-：負電源 。雙電源供電時為-2.375-5.5V 之間的電壓，單電源供電時 V-=- V。 V+：正電源。雙電源供電時 V+=+

31、2.35+5.5V,單電源供電時 V+=+4.75+11.0V。 GND：地線。單電源工作時 GND 端必須用電源電壓的一半作偏置電壓。 NC：空腳，無連線。 表 4.1 MAX291 的幅頻特性 頻率/Hz50010002500320039005000 增益1.001.001.000.700.200.03 MAX29X 的極限電氣參數(shù)如下： 電源（V+V-）：12V 輸入電壓（任意腳）：V-0.3VVINV+0.3V 第 17 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 連續(xù)工作時的功耗：8 腳塑封 DIP：727mW；8 腳 SO：471mW；16 腳寬 SO：762mW；8 腳瓷封 DIP：64

32、0mW。 工作溫度范圍：MAX29-C-：0+70；MAX29-E-：-40+85；MAX29-MJA。 MAX291芯片,采用不同的截止頻率,各參數(shù)則會完全不同。相應(yīng)的濾波器頻譜特性 應(yīng)該是：在2.5KHz以下的通帶內(nèi)，增益基本為1，到3.2KHz時應(yīng)為0.707，即3dB帶寬增 益。如果直接利用MAX291的內(nèi)部時鐘振蕩器，只需外接一個電容，電容值和3dB截止頻 率滿足： （式 3-5-1）)(3/10)( 5 pFCKHzf oscosc MAX291的零點漂移較大，典型值為150 mV，最大可以達到400 mV。另外由于開關(guān) 電容濾波器本身的特點，將連續(xù)波截斷成以開關(guān)頻率為采樣間隔的近

33、似連續(xù)波，所以 會帶來一些頻譜失真，失真度最大可達到70 dB。MAX291對工業(yè)現(xiàn)場的電磁兼容性不 強，易受干擾。MAX29不但受開關(guān)電源的質(zhì)量影響，還受液晶顯示器的逆變器影響。受 上述因素影響后會產(chǎn)生干擾，而且干擾的出現(xiàn)是隨機的。干擾信號的頻段位于3040 次諧波之間。用純正弦波做試驗，總畸變率達到02 左右，干擾嚴重時甚至達到03 。 鑒于上述現(xiàn)象，采取以下措施：首先，加上調(diào)零電路，消除由于零點過大造成的誤 差。然后重點消除干擾的影響，包括：加強電源的濾波，在電源輸出端加大電解電容 器濾波，減小紋波；在逆變器公用的電源人口端加電感,吸收高頻干擾；為徹底排除電 源的相互干擾，采用DC-DC

34、模塊給MAX291單獨供電，與系統(tǒng)的其他電源局部隔離，最后 在一點共地。另外，將印制板整體的地線面積增大，電源及信號線盡量遠離時鐘。改 進之后的電路，抗干擾性明顯增強。測試純正弦波時總畸變率基本小于02 ，偶爾為 01 。另外，根據(jù)開關(guān)電容濾波器固有的失真特性，利用軟件進行校正，最終使得測 試純正弦波的畸變率始終小于01 ，達到了測試精度要求。 綜上所述，用MAX291實現(xiàn)抗混疊濾波器，解決了電網(wǎng)諧波測量中的鏡像效應(yīng)問題。 與傳統(tǒng)的有源RC濾波器相比，選用MAX291實現(xiàn)抗混疊濾波器有巨大的優(yōu)勢。 (1)濾波性能良好，畸變率小。 (2)MAX291為集成器件，可靠性和穩(wěn)定性高，避免了分立元件的

35、各種誤差、漂移影響。 (3)排版設(shè)計緊湊，節(jié)省空間；批量生產(chǎn)時，元器件少，裝配、調(diào)試方便。 3.5.43.5.4 濾波器電路設(shè)計濾波器電路設(shè)計 MAX291 既可用內(nèi)部時鐘也可用外部時鐘作為截止頻率的控制時鐘。根據(jù)設(shè)計題目 的要求，采用 ICL8038 單片集成電路函數(shù)發(fā)生器來作為外部時鐘電路。 第 18 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 根據(jù)濾波的截止頻率，MAX291 的 3dB 截止頻率可以在 0.125KHz 之間選擇。本次 設(shè)計中我所采用的 3dB 帶寬增益時的截止頻率為 2KHz，由于濾波器的主要極點或角頻 率是根據(jù)時鐘固定的，并在內(nèi)部形成了一個 100：1 的時鐘對角頻率比率，

36、所以可以得 到時鐘脈沖頻率為： （式 3-5-2）KHzKHz2001002 而產(chǎn)生的電路 ICL8038 的頻率范圍是：0.001 KHz300 KHz,所以此數(shù)據(jù)可用。 i f 振蕩器的頻率由接在 CLK 端上的電容 VCOSC 決定。如圖 3.15 所示為 MAX291 構(gòu)成的基 本抗混疊濾波電路。 圖 3.15 基本的抗混疊濾波電路 為了使抗混疊濾波電路能夠更好的工作，我們必須給它配上一個由運算放大器組 成的反相加法電路。此處所選用的運算放大器為 A741。同時,我們還可以在 MAX291 的輸入端加入一個輸入衰減器。如圖 3.16 所示為改進后的抗混疊濾波電路。 第 19 頁 西華大

37、學課程設(shè)計說明書 說明書 CLK 1 IN 8 OPIN 4 OPOUT 3 15 15 MAX291 10KR1 30k 10K 100K R2 20K Rb 20k+20k 100K 0.1u 0.1u 470p 100p 0.1u C1 0.1u 0.1u +5V -5V +5V -5V 0.1u 信信信信 信信信信 信信 圖 3.16 利用 MAX291 實現(xiàn)抗混疊濾波 該電路為采用開關(guān)電容構(gòu)成的 8 次低通濾波電路。改變時鐘頻率可改變截止頻率， 并且截止頻率為時鐘頻率的 1/100。時鐘輸入端加+5V 電平的方波信號，在 A1 的輸入 (IN)與輸出(OUT)端之間可以獲得低通濾波器

38、的特性。由于輸入衰減器與輸出放大器的 作用，輸入輸出信號電平可以達到10V。當電源電壓為+5V，輸入電壓峰峰值為 9V 以 上時，為使失真不急劇增大，在電路輸入信號端接入 R1 和 R2 組成的衰減器。輸入電 壓為 0V 時，輸出端產(chǎn)生的漂移電壓最大可達 0.4V，為此用 A2 檢測輸入輸出之間的直 流電壓差，并加到 A3 同相輸入端。從而抵消漂移電壓。A3 用于平滑 A1 輸出階梯狀波 形，增強其效果。為了進一步降低輸出時鐘脈沖，可以使用 A1 中的運放構(gòu)成濾波器。 該電路是把偏置電路和加法電路一同包括在內(nèi)的。偏置電路可以為電路提供合適 的靜態(tài)工作點，穩(wěn)定電路，得到一個穩(wěn)定的直流偏壓，以配合

39、后面的加法電路來抵消 抗混疊濾波器產(chǎn)生的零點電壓。加法電路除了可以消除零點電壓外，還可以起到一定 的放大作用。 第 20 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 4 4 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 時鐘電路的調(diào)試 將頻率計接在輸出信號的兩端, 接通電源，調(diào)節(jié)引腳 7 給引腳 8 提供的固定電位, 使得頻率計上顯示的波形頻率為 20KHz。 分頻電路的調(diào)試 調(diào)整 R1、Ct，使 VCO 的固有振蕩頻率，采用逐點法測量 CC4046 壓控振KHzfv5 蕩器的電壓控制曲線（t）。測量方法如下： d V v f （1） 將 VCO 的輸入、輸出與環(huán)路斷開。 （2） 使直流控制電壓,測量壓控振蕩器的固有振蕩頻率，這

40、時的值由 VCO0 d V v f v f 的外接定時電阻與電容決定。 （3） 使由零逐漸增大，直到線性區(qū)的臨界值為止，測量與 VCO 對應(yīng)的輸出頻率。 d V v f （4） 接入負直流控制電壓重復步驟 3。 d V （5） 根據(jù)記錄的實驗數(shù)據(jù)，繪制 VCO 的控制特性曲線，確定與的線性范圍。 d V v f 抗混疊濾波電路的調(diào)試 對其輸出特性進行測試，看其是否滿足 3dB 帶寬為 2 KHz，如果不滿足，說明時鐘 電路所產(chǎn)生的頻率有問題，要對其參數(shù)進行修改，直到合適為止。 第 21 頁 西華大學課程設(shè)計說明書 說明書 5 5 系統(tǒng)功能和指標參數(shù)系統(tǒng)功能和指標參數(shù) 5.15.1 系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能 該電路主要實現(xiàn)了頻譜分析儀的