开关电容滤波器的“共振”现象及其对策
摘 要: 分析了开关电容滤波器开关电容滤波器的“共振”现象及其产生机理。针对该现象提出了解决办法,并结合信号处理仪器系统给出了采用MAX293制作抗混滤波器的方案。
关键词: 开关电容滤波器 “共振”现象 抗混 编程
在信号处理仪器的硬件系统中抗混滤波器是一重要的部件。根据信号分析的要求,抗混滤波器的截止频率截止频率范围控制在10Hz～20kHz。为了提高信号的频率分辨率,要求抗混滤波器的带宽是可变的。比如要分析100Hz以内的信号特征,该低通滤波器低通滤波器的带宽最好选为100Hz。设计时,按1、2、4、5倍乘的原则,将20kHz频率范围分成14档不同带宽来处理。若采用一般的模拟低通滤波器必然电路繁复、换档不便、体积太大、不甚实用。而集成开关电容滤波器发展很快,生产公司不少,器件目前已系列化。它改变截止频率非常方便,只要程控不同的采样频率采样频率即可。因此,选择8阶开关电容椭圆低通滤波器MAX293作抗混滤波器用。理论上8阶低通滤波器适合于制作抗混滤波器,其截止频率后的衰减为160dB/10倍频,由文献(1)可知,如截止频率为1kHz,则到1.5kHz处,信号衰减了80dB[1],接近理想的低通滤波器,这是由椭圆滤波的特点所决定的。实测的波特图(幅频特性幅频特性)也有相似结果。但在试制过程中,发现该滤波器有“共振”现象,以下就此现象试作分析。
1 开关电容滤波器的“共振”现象
在用NW1232低频频率特性测试仪测试MAX293的幅频特性时,发现屏幕上除了预期的幅频特性之外,在采样频率及其整数倍的频率处具有窄带通形状的峰值,其高度达到甚至超过了前面幅频特性平坦部分的最大值。也就是说,当输入信号频率等于采样频率或为采样频率的整数倍时,出现了这一现象。此现象从未见文献报导过,暂时称之为“共振”现象,如在使用中对其不加处理,则将严重干扰有用信号。为了弄清原因,重复作了试验。采取自动扫描、手动扫描、变采样频率后扫描等方法,该现象始终如期而至。为了滤去该“高频干扰”,在MAX293电路之后,接上模拟低通滤波器。然而不管接二阶低通还是四阶低通模拟滤波器,其输出仍然存在该“干扰”,而且幅值无任何减小。
2 “共振”现象的解释
用模拟低通滤波器做实验,当然不存在此现象。因此,原因必然在于具有采样环节的开关电容上。在开关电容滤波器中,当开关频率(即采样频率、时钟频率)大大大于信号频率时(文献(2)指出,一般要大于20倍),开关电容等效于模拟阻容滤波器中的电阻,可推导出,其等效电阻其中C为电容,fc为开关频率[3]。通过分析
得到,当信号频率和采样频率同频时,就会出现的现象。
图中输入信号vi为正弦波(方波也一样),1、2……为同频采样信号。在相位适当的时候(),开关电容滤波器的电容上将出现输入信号的峰值。相位的不同,采样到的值也不同,但各采样点所采样的值是相同的。因此在采样电容上产生一个直流信号,使滤波器输出一个直流电平。当观察幅频特性时,在输入信号与采样信号同频且相位合适时,就出现了上述所谓的“共振”现象。而且其后的低通模拟滤波器对此无能为力。同理,当信号频率为采样频率的整数倍时,显然也会出现相同的现象。
3 试验结果
为了证实上述的分析,采用的一阶低通滤波器作了试验。图中vi为正弦波输入,φ1,φ2为两相脉冲作采样开关信号,vo为输出信号。
在低频特性测试仪上测试,φ1、φ2的频率fφ为10kHz,除了在近100Hz处转折的低通幅频特性外,在10kHz、20kHz处,出现了峰值。此处fφ即为上述的开关频率fc,其与低通滤波器的转折频率的关系,取决于图2(a)中的C1和C2之比值。此时用电压表测量vo为直流电压4V,用晶体管毫伏表测得输入信号值为2.8V。从而证实了上述分析。
为了去除“共振”现象,要限制输入信号的范围,使之小于采样频率。因此采用集成开关电容低通滤波器(如MAX293一类)时,在其前面,必须要增加模拟低通滤波器,把采样频率及其以上的高频信号有效的排除在外才行。
4 基于MAX293的实用抗混滤波器
集成开关电容滤波器体积小、阶数高、衰减沿陡、改变通带宽度非常方便,因此用途十分广泛,特别是在要求有不同带宽的场合。其缺点是本身有开关噪声,尤其是存在上述的“共振”现象。因此在使用时,要根据不同的要求,采取必要的措施。现以采用MAX293制作抗混滤波器为例予以说明。
图3为信号处理仪器硬件框图。其中,MAX293及其前后的模拟低通滤波器一起,组成通带可编程抗混滤波器。
根据界面上测量显示信号的大小,用PC机上的键盘选取量程程控放大器的放大倍数,以得到幅度合适的信号。MAX293滤波器前后,接有两个可编程模拟低通滤波器,它们有同步的三个可编程转折频率,由PC机给出地址,切换到不同值的滤波电容来实现。用MAX293滤波器前的双二阶可编程模拟低通滤波器消除“共振”现象,用后边的二阶低通滤波器消除采样频率信号fc所引起的噪声。由于MAX293从10Hz～20kHz分成14档,其截止频率与采样频率fc之比值为1:100[1],所以模拟滤波器的转折频率为100Hz、1kHz、10kHz三档,它们能将相应于fc及其以上的信号谐波排除在外。MAX293的不同截止频率是由PC机通过改变fc而得到的。所有模拟滤波器设计
成Butterworth滤波器。本硬件系统及相应的软件系统已销售多套,并于2001年11月通过由机械工业技术发展基金会组织的鉴定。
开关电容滤波器的“共振”现象及其对策
摘 要: 分析了开关电容滤波器开关电容滤波器的“共振”现象及其产生机理。针对该现象提出了解决办法,并结合信号处理仪器系统给出了采用MAX293制作抗混滤波器的方案。
关键词: 开关电容滤波器 “共振”现象 抗混 编程
在信号处理仪器的硬件系统中抗混滤波器是一重要的部件。根据信号分析的要求,抗混滤波器的截止频率截止频率范围控制在10Hz～20kHz。为了提高信号的频率分辨率,要求抗混滤波器的带宽是可变的。比如要分析100Hz以内的信号特征,该低通滤波器低通滤波器的带宽最好选为100Hz。设计时,按1、2、4、5倍乘的原则,将20kHz频率范围分成14档不同带宽来处理。若采用一般的模拟低通滤波器必然电路繁复、换档不便、体积太大、不甚实用。而集成开关电容滤波器发展很快,生产公司不少,器件目前已系列化。它改变截止频率非常方便,只要程控不同的采样频率采样频率即可。因此,选择8阶开关电容椭圆低通滤波器MAX293作抗混滤波器用。理论上8阶低通滤波器适合于制作抗混滤波器,其截止频率后的衰减为160dB/10倍频,由文献(1)可知,如截止频率为1kHz,则到1.5kHz处,信号衰减了80dB[1],接近理想的低通滤波器,这是由椭圆滤波的特点所决定的。实测的波特图(幅频特性幅频特性)也有相似结果。但在试制过程中,发现该滤波器有“共振”现象,以下就此现象试作分析。
1 开关电容滤波器的“共振”现象
在用NW1232低频频率特性测试仪测试MAX293的幅频特性时,发现屏幕上除了预期的幅频特性之外,在采样频率及其整数倍的频率处具有窄带通形状的峰值,其高度达到甚至超过了前面幅频特性平坦部分的最大值。也就是说,当输入信号频率等于采样频率或为采样频率的整数倍时,出现了这一现象。此现象从未见文献报导过,暂时称之为“共振”现象,如在使用中对其不加处理,则将严重干扰有用信号。为了弄清原因,重复作了试验。采取自动扫描、手动扫描、变采样频率后扫描等方法,该现象始终如期而至。为了滤去该“高频干扰”,在MAX293电路之后,接上模拟低通滤波器。然而不管接二阶低通还是四阶低通模拟滤波器,其输出仍然存在该“干扰”,而且幅值无任何减小。
2 “共振”现象的解释
用模拟低通滤波器做实验,当然不存在此现象。因此,原因必然在于具有采样环节的开关电容上。在开关电容滤波器中,当开关频率(即采样频率、时钟频率)大大大于信号频率时(文献(2)指出,一般要大于20倍),开关电容等效于模拟阻容滤波器中的电阻,可推导出,其等效电阻其中C为电容,fc为开关频率[3]。通过分析
得到,当信号频率和采样频率同频时,就会出现的现象。
图中输入信号vi为正弦波(方波也一样),1、2……为同频采样信号。在相位适当的时候(),开关电容滤波器的电容上将出现输入信号的峰值。相位的不同,采样到的值也不同,但各采样点所采样的值是相同的。因此在采样电容上产生一个直流信号,使滤波器输出一个直流电平。当观察幅频特性时,在输入信号与采样信号同频且相位合适时,就出现了上述所谓的“共振”现象。而且其后的低通模拟滤波器对此无能为力。同理,当信号频率为采样频率的整数倍时,显然也会出现相同的现象。
3 试验结果
为了证实上述的分析,采用的一阶低通滤波器作了试验。图中vi为正弦波输入,φ1,φ2为两相脉冲作采样开关信号,vo为输出信号。
在低频特性测试仪上测试,φ1、φ2的频率fφ为10kHz,除了在近100Hz处转折的低通幅频特性外,在10kHz、20kHz处,出现了峰值。此处fφ即为上述的开关频率fc,其与低通滤波器的转折频率的关系,取决于图2(a)中的C1和C2之比值。此时用电压表测量vo为直流电压4V,用晶体管毫伏表测得输入信号值为2.8V。从而证实了上述分析。
为了去除“共振”现象,要限制输入信号的范围,使之小于采样频率。因此采用集成开关电容低通滤波器(如MAX293一类)时,在其前面,必须要增加模拟低通滤波器,把采样频率及其以上的高频信号有效的排除在外才行。
4 基于MAX293的实用抗混滤波器
集成开关电容滤波器体积小、阶数高、衰减沿陡、改变通带宽度非常方便,因此用途十分广泛,特别是在要求有不同带宽的场合。其缺点是本身有开关噪声,尤其是存在上述的“共振”现象。因此在使用时,要根据不同的要求,采取必要的措施。现以采用MAX293制作抗混滤波器为例予以说明。
图3为信号处理仪器硬件框图。其中,MAX293及其前后的模拟低通滤波器一起,组成通带可编程抗混滤波器。
根据界面上测量显示信号的大小,用PC机上的键盘选取量程程控放大器的放大倍数,以得到幅度合适的信号。MAX293滤波器前后,接有两个可编程模拟低通滤波器,它们有同步的三个可编程转折频率,由PC机给出地址,切换到不同值的滤波电容来实现。用MAX293滤波器前的双二阶可编程模拟低通滤波器消除“共振”现象,用后边的二阶低通滤波器消除采样频率信号fc所引起的噪声。由于MAX293从10Hz～20kHz分成14档,其截止频率与采样频率fc之比值为1:100[1],所以模拟滤波器的转折频率为100Hz、1kHz、10kHz三档,它们能将相应于fc及其以上的信号谐波排除在外。MAX293的不同截止频率是由PC机通过改变fc而得到的。所有模拟滤波器设计
成Butterworth滤波器。本硬件系统及相应的软件系统已销售多套,并于2001年11月通过由机械工业技术发展基金会组织的鉴定。