（控制科学与工程专业论文）可编程开关电容滤波器系统的研究与实现.pdf

可编程开关 乜容滤波器系统的研究与实现 摘要 本文以f p g a 为主控制芯片设计了基于开关电容滤波器芯片m a x 2 6 0 的可编 程模拟滤波器系统。该可编程滤波器系统的功能较为全面，可提供高达8 阶的巴 特沃斯和切比雪夫滤波器，能够实现对信号频率的自动跟踪，参数调整方便，控 制方法灵活，具有一定的应用价值。本文完成的主要工作如下： 1 在对开关电容滤波器的可编程设计进行大量研究的基础上，基于开关电容 滤波器芯片m a x 2 6 0 ，提出了一套完整的开关电容滤波器可编程滤波器设计的方 法。从基本的二阶滤波器着手，得到了低通、高通及带通二阶滤波器参数的计算 公式，系统地阐述了将各滤波器参数转换成开关电容滤波器的编程参数的方法。 本文详细介绍了可编程滤波器系统的设计实现过程，并计算得到了大量的滤波器 设计参数。该方法虽然是基于开关电容滤波器芯片m a x 2 6 0 提出，但对通用的各 种开关电容滤波器的应用设计都有较大的参考价值，具有很大的实际意义。 2 完成了基于开关电容滤波器的可编程滤波器系统的硬件设计，详细介绍了 放大和检测电路、增益控制电路、滤波器模块电路、f p g a 控制部分电路及接口 电路的设计实现。提出了一种通过双d a 构成程控放大器提高滤波器的动态范围 的方法。 3 详细阐述了f p g a 控制可编程滤波器系统的设计方法，具体介绍了各电路 及其接口时序控制的编程实现。对f p g a 生成开关电容时钟信号的方法进行了深 入研究，提出了一种较通用的开关电容滤波器时钟信号的设计方法，通过除法器 结合分频器产生不同频率的时钟信号。根据不同的系统工作模式得到相应模式的 除法计算公式，生成对应的除数和被除数的存储表，利用简单的移位相减算法实 现了复杂的高位除法运算。 4 针对开关电容滤波器存在混叠现象而滤波器系统的采样频率变化的问题， 提出了一种分频率段对整个系统进行抗混叠滤波器设计的方法。在高频率段采用 固定截止频率的低通滤波器防止混叠现象；在低频率段采用低通开关电容滤波器 芯片作为抗混叠滤波器，实时调整抗混叠滤波器的截止频率，从而有效地提高低 频率段的抗混叠性能。 关键词：可编程滤波器；开关电容滤波器：程控放大器；时钟信号；抗混叠；m a x 2 6 0 硕i ：学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as y s t e mo fp r o g r a m m a b l ef i l t e rb a s e do ns w i t c hc a p a c i t o r f i l t e rm a x 2 6 0b yu s i n gf p g aa st h em a i nc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d t h ep r o g r a m m a b l e f i l t e rp o s s e s s e sm a n yf u n c t i o n s i tc a np r o v i d eb o t hb u t t e r w o r t ha n dc h e b y s h e v f i l t e r su pt o8o r d e r s ，a n dr e a l i z e sa u t o m a t i ct r a c k i n g f i l t e r i n ga tt h ef u n d a m e n t a l f r e q u e n c yo fs i g n a l i t se a s ya n df l e x i b l et oc h a n g et h ep a r a m e t e r so ft h ef i l t e r t h e f i l t e ri sa g i l i t yt oc o n t r o la n du s e rf r i e n d l y ，a n dh a sac e r t a i na p p l i c a t i o nv a l u e t h em a i na c h i e v e m e n t so b t a i n e db yt h i sd i s s e r t a t i o na r e ： f i r s t l y ，b a s e do nal o to fs t u d i e si np r o g r a m m a b l ed e s i g no fs w i t c hc a p a c i t o rf i l t e r , ac o m p l e t es e to fm e t h o d so fs w i t c hc a p a c i t o rf i l t e r d e s i g nb a s e do nm a x 2 6 0w a s p r o p o s e d t h ec o m p u t a t i o n a lf o r m u l a so ff i l t e r p a r a m e t e r si n c l u d i n gl o w p a s s ， h i g h 。p a s sa n db a n d p a s st h r o u g ha n a l y z i n ge l e m e n t a r ys e c o n d o r d e rf i l t e rw e r e o b t a i n e d t h em e t h o do fc o n v e r t i n ge a c hf i l t e r p a r a m e t e r si n t op r o g r a m m a b l e p a r a m e t e r so fs w i t c hc a p a c i t o rf i l t e rw a se l a b o r a t e ds y s t e m a t i c a l l y m e a n w h i l e ，t h i s t h e s i si n t r o d u c e dt h ed e s i g np r o c e d u r e so fp r o g r a m m a b l ef i l t e rs y s t e m ，a n dc a l c u l a t e d al a r g ea m o u n to fd e s i g np a r a m e t e r so ff i l t e r a l t h o u g ht h i sm e t h o dw a s p r e s e n t e d b a s e do ns w i t c hc a p a c i t o rf i l t e rm a x 2 6 0 ，i th a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et ou n i v e r s a l s w i t c hc a p a c i t o rf i l t e rd e s i g n s e c o n d l y ，t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ep r o g r a m m a b l ef i l t e rs y s t e mb a s e do ns w i t c h c a p a c i t o rf i l t e rh a sb e e nf i n i s h e d t h eh a r d w a r ed e s i g no fa m p l i f i c a t i o na n dd e t e c t i o n c i r c u i t ，g a i nc o n t r o l l i n gc i r c u i t ，f i l t e rm o d u l ec i r c u i t ，f p g ac o n t r o l l i n gc i r c u i ta n d i n t e r f a c ec i r c u i to ft h ef i l t e rs y s t e mw e r ee x p o u n d e d d e t a i l e d l yi nt h ep a p e r am e t h o d i m p r o v i n gt h ed y n a m i cr a n g ew i t hp r o g r a m m a b l ea m p l i f i e rc o n s i s t i n go fd u a ld a c o n v e r t e r sw a sp r o p o s e d t h i r d l y ，t h em e t h o do fc o n t r o l l i n gp r o g r a m m a b l ef i l t e rs y s t e m b yf p g aw a s e l a b o r a t e di nd e t a i l ，a n dt h es o f t w a r ed e s i g no f e a c hc i r c u i tw a se x p a t i a t e dc o n c r e t e l y t h r o u g hs t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h em e t h o dw h i c hg e n e r a t ec l o c ks i g n a lo fs w i t c h c a p a c i t o rf i l t e rw i t hf p g a ，au n i v e r s a ld e s i g nm e t h o dt h a tg e n e r a t ec l o c ks i g n a lo f s w i t c hc a p a c i t o rf i l t e rw a so b t a i n e d t h em e t h o dg e n e r a t e sc l o c ks i g n a lw i t hd i f f e r e n t f r e q u e n c yv i at h ed i v i d e ra n df r e q u e n c yd i v i d e r i tc a l c u l a t e dt h es t o r a g el i s to f d i v i s o r sa n dd i v i d e n d st h r o u g hd i v i d e rd e s i g nf o r m u l a sa c c o r d i n gt od i f f e r e n ts y s t e m w o r km o d e ，a n dr e a l i z e dc o m p l i c a t e dm u l t i - b i td i v i s i o no p e r a t i o nt h r o u g hr e l a t i v e l v i i i 可编程开关电容滤波器系统的研究j 实现 s i m p l es h i f t i n g s u b t r a c t i n ga l g o r i t h m f i n a l l y , a i m i n g a tt h ep r o b l e mt h a ts w i t c hc a p a c i t o rf i l t e r e x i s t i n g a l i a s i n g p h e n o m e n o n ，am e t h o dc o n s t r u c t i n ga n t i - a l i a s i n gf i l t e r ss e p a r a t e l yf o rd i f f e r e n t f r e q u e n c yb a n d sw a sp r o p o s e d al o w p a s sf i l t e rw i t hf i x e dc u t o f ff r e q u e n c yi s a d o p t e df o ra n t i a l i a s i n g i n h i g h - f r e q u e n c yb a n d ；t h ea n t i a l i a s i n gc a p a c i t yo f p r o g r a m m a b l ef i l t e rs y s t e mi nl o w - f r e q u e n c yb a n di si m p r o v e de f f e c t i v e l yb yu s i n g l o w p a s ss w i t c hc a p a c i t o rf i l t e rw h i c ha d j u s t si t sc u t o f ff r e q u e n c yi nr e a lt i m e k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l ef i l t e r ；s w i t c hc a p a c i t o rf i l t e r ；p r o g r a m m a b l ea m p l i f i e r ； c l o c ks i g n a l ；a n t i - a l i a s i n g ；m a x 2 6 0 i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 乱晓橐 日期： 口7 年岁月2 中日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：砘藁 导师签名：壶荔绞 日期：0 7 年箩月斗日 日期： c 7 年r 月乒弘日 硕十学位论文 第1 章绪论 滤波是信号处理的一种最基本的重要技术。利用滤波技术可以从接收到的信 号中提取有用的信息或信号，抑制或消除无用的或有害的干扰信号。滤波器正是 采用滤波技术的具有一定传输选择性的信号处理装置。滤波器将抑制信号中不需 要的成分，而使其中需要的成分得以传输至输出。因此，滤波器的功能可理解为 对输入信号进行某种运算、处理并变换为人们所需要的输出信号。 19 15 年，w a g n e r 和c o r a p b e l l 发明了滤波器的概念。此后，滤波器经历了无源 分立r l c 元件、集成线性元件混合集成电路和单片全集成电路的发展历程，沿着 低成本、高集成度、高频信号处理能力、低电源和微功耗等方向发展瞳1 。随着滤 波器技术的进步，自适应滤波器、程控滤波器这类具有可编程功能的滤波器也逐 渐发展起来，并在许多信号处理场合得到了应用凹1 。 1 1 可编程滤波器 一般传统的模拟滤波器是通过改变r l c 分立元件的参数改变滤波器的频率响 应特性，其参数调整较为困难，且这类滤波器通常只能实现一种滤波功能。模拟 滤波器使用r l c 分立元件，不但体积较大而且难以保证精度。显然，在需要经常 甚至实时调整滤波器频率响应特性和滤波功能的场合，传统模拟滤波器很不方便。 因此研究可编程滤波器具有重要意义。 可编程滤波器有多种实现方法，常见的主要有： 1 采用集成运放和可变电阻 通过改变电阻值调整滤波器的中心频率或截止频率。可变电阻可选用数字电 位器，也可通过模拟开关切换电阻改变阻值。由于可选的阻值为离散值，实现连 续性频率的线性跟踪较为困难。当在可选的阻值中没有完全符合滤波器要求的值 时，滤波器的中心频率或截止频率会产生误差。为减少频率误差，需使用高分辨 率和多抽头的数字电位器或采用多种不同额定阻值的电位器芯片：若使用模拟开 关切换电阻值，需增加模拟开关的数量和提高切换电阻的精度来增加可选阻值的 数量和精度。可见，这种可编程滤波器实现方法需以更高成本和更大的体积来换 取较小的误差。而且，这种可编程滤波器的频率覆盖范围一般较小，增大覆盖范 围必定增大离散阻值的误差区域h 一1 。 2 采用集成运放和数模转换器d a c 利用d a c 内部的r 2 r 梯形电阻网络作为分流器，与运算放大器配合实现可编 程滤波器。这种实现方法的滤波器精度和集成度较第一种方法高，但是，高阶的 口j 编程开关i u 容滤波器系统的研究j 实现 滤波器的电路结构和控制方法更为复杂，而且滤波器的精度受至i j d a c 分辨率的限 制6 侧。 3 利用连续时间有源滤波器集成芯片 连续时间有源滤波器芯片通过外接电阻实现滤波器q 值和中心频率或截止频 率的编程，同样可通过切换电阻阻值实现可编程滤波器，优点是无需使用运算放 大器，不存在时钟噪声和混叠现象，能以较为简单的电路结构实现高阶的滤波器。 由于需要切换电阻阻值扩大滤波器的中心频率或截止频率点，存在与第一种方式 相同的弊端n 0 | 。 4 采用数字滤波器 采用实时d s p 或f p g a 数字滤波技术实现可编程滤波。数字信号处理十分灵 活，且升级无需增加硬件成本，但不适合高增益弱信号检测。滤波效率受至i j a d 、 d a 的转换速率和处理器运算速度的限制n 。 5 采用开关电容滤波器集成芯片 开关电容滤波器( s w i t c hc a p a c i t o rf i l t e r ，缩写为s c f ) 使用采样系统逼近模 拟连续滤波器的特性。开关电容滤波器的中心频率或截止频率与一个外部的时钟 输入信号( 采样时钟) 相关，可通过调整时钟输入信号的频率改变滤波器的中心 频率或截止频率，从而实现可编程。 开关电容滤波器集成芯片可分为引脚可编程和微处理器可编程两种。引脚可 编程开关电容滤波器的中心频率或截止频率可由时钟信号频率决定或由外部电阻 值和时钟信号频率共同决定，q 值由外部电阻值决定；微处理器可编程开关电容 滤波器通过数字编程代码控制芯片时钟频率与滤波器中心频率或截止频率的比值 和滤波器q 值。可见，开关电容滤波器芯片非常适于实现可编程滤波系统，外围 电路十分简单，控制方便。由于开关电容内部存在采样系统，需要考虑抗混叠和 抑制时钟噪声n 引，受采样频率的限制，滤波器的工作频率最高只能在1 m h z 之内。 虽然这种方法存在不足，目前仍是实现可编程滤波器的一种应用最广泛的方法。 本文深入研究和探讨了基于开关电容滤波器设计可编程滤波器系统的方法。 1 2 开关电容滤波器的发展与应用 二十世纪八十年代，超大规模集成电路得到了迅速的发展，采用同一种m o s 工艺在单位面积芯片上集成的电阻、电容等电子元器件的数量越来越多。但是， 集成电阻不仅占用芯片面积大，而且大的温度系数和高的电压系数增大了电路功 耗，不利于超大规模集成电路的小型化。为克服以上缺点，人们开始研究取代电 阻的方法。 开关电容滤波器的概念最早在二十世纪五十年代就已提出，由于当时集成工 艺不过关，未引起人们的重视。19 7 2 年，美国科学家f r i e d 发表了用开关和电容模 硕i j 学位论文 拟电阻r 的方法。1 9 7 7 年，开关电容的单片集成滤波器研制成功，它由m o s 运算 放大器、m o s 电容和m o s 开关组成的有源开关电容网络。开关电容滤波器由电容 的比值确定电路的极点和时间常数，且电容比值可精确地控制。因此，开关电容 技术可获得高精度的滤波器。19 7 9 年，已有商用的单片开关电容滤波器产品，现 在开关电容技术已趋成熟。开关电容滤波器采用m o s 工艺实现，被公认为八十年 代网络理论与集成工艺的一个重大突破。开关电容滤波器具有下列一些优点：开 关电容滤波器利于大规模集成；因为其性能取决于电容之比，而m o s 电容之比的 误差小于千分之一，故具有很高的精度；功能全面，几乎所有电子部件和功能均 可以由开关电容技术来实现；无需a d 、d a 转换，比数字滤波器简单；功耗很小， 可以做到小于1 0 m w n 3 1 。 然而，在使用s c f 滤波器的过程中发现，当要求较高的q 值时，普通单片s c f 滤波器难以胜任，而用多片s c f 级联的成本太高，采取大的电容分散又不利于集 成。有人建议采用电容放大技术减小电容分散，但需增加一个运放。运放的功耗、 噪声、稳定性和有限带宽等诸多因素又限制了电路的整体性能。有人提出采用差 动开关电容器减小电路的电容分散，这只需多增加两个开关，却可成倍地减小电 容分散，便于集成。另外，在n m o s 工艺的s c f 滤波器中，由于n m o s 运算放大器 的开环增益低、摆率小、噪声高和单位增益带宽窄，影响电荷转移的数量，使得 s c f 滤波器的性能和精度不够理想。因此，高性能n m o s 运算放大器的设计构成 了高精度s c f 滤波器设计的关键。s c f 滤波器还有一个较大的弱点，即中心频率 较低，通常都在1 0 0 k h z 以内。尽管如此，s c f 滤波器作为一种集成化的单片滤波 器已广泛应用于中、低频范围的电信、声学等领域n 引。 开关电容滤波器的应用以声频范围应用为主体，在信号处理方面的应用有： 程控开关电容滤波器、模拟信号处理、振动分析、自适应性滤波器、音乐综合、 共振谱、语言综合器、音调选择、语声编码、声频分析、均衡器、解调器、锁相 器、离散傅氏变换等等。总之，开关电容滤波器在仪表测量、医疗仪器、数据或 信息处理等许多领域都有广泛的应用前景n 5 17 1 。 1 3 基于开关电容的可编程滤波器的研究意义 在许多信号检测处理过程中，由于各种系统和环境因素的影响，所检测信号 的频率在一定范围内变化或无法准确预知，因此需要根据情况调整滤波器的参数 或使用具有频率自动跟踪功能的滤波器。由无源器件构成的模拟滤波器或含有运 算放大器的有源模拟滤波器的参数难以实时调整，无法方便地实现对信号频率的 自动跟踪引。开关电容滤波器通过内部采样系统控制等效电阻值实现积分时间常 数的控制，从而改变滤波器的参数，它不但可以方便地实现滤波器参数的编程， 实现频率的自动跟踪，相对于分立元件构成的模拟滤波器具有更高的集成度和抗 町编程开关i 乜容滤波器系统的研究j 实现 干扰能力，而且开关电容滤波器无需进行a d 、d a 转换，省去了量化过程，较数 字滤波器的整体结构更为简单，处理速度更快n9 1 。因此，研究基于开关电容滤波 器的可编程滤波器系统具有很大的实际意义和应用价值。 1 4 可编程滤波器的主要功能 本设计采用x i l i n x 公司的s p a r t a n i i 系列f p g ax c 2 s 2 0 0 5 p q 2 0 8 作为可编程 滤波系统的主控芯片，控制开关电容滤波器芯片m a x 2 6 0 和增益控制电路实现程 控滤波。可编程滤波器提供低通、带通、高通三种滤波器功能，每种滤波功能均 可选择巴特沃斯和通带波纹为0 1 d b 的切比雪夫两种逼近函数，滤波器的最高阶 数达8 阶。用户可根据需求选择巴特沃斯、切比雪夫逼近函数，也可外部输入所 需的逼近函数参数。系统有典型、跟踪及手动三种工作模式，可选择自动跟踪模 式对信号基波频率进行跟踪滤波。滤波器的输入信号可达毫伏级，且滤波器的增 益可在一定范围内调整。 本文着重研究用开关电容滤波器芯片实现可编程滤波器的设计方法，不关注 滤波器的中心频率范围，选用的开关电容滤波器芯片m a x 2 6 0 的最大中心频率为 7 5 k h z ，可编程滤波器系统的滤波器中心频率或截止频率最高为4 k h z 。若需要更 高的中心频率或截止频率，只需选择具有更高的中心频率或截止频率的开关电容 滤波器芯片，如与m a x 2 6 0 同二个系列的m a x 2 6 2 ，其最高中心频率或截止频率 达1 4 0 k h z ，滤波器系统的设计方法不变。 1 5 本文结构及主要研究内容 本文主要研究和探讨基于开关电容滤波器芯片设计可编程滤波器系统的方 法，并实践了通过f p g a 实现滤波器可编程控制的方法，对各种开关电容滤波器 的应用提供了较大的参考价值。论文主要结构如下： 第l 章绪论 叙述了可编程滤波器的实现方法、开关电容滤波器的发展及研究基于开关电 容滤波器的可编程滤波器系统的意义。 第2 章开关电容滤波器 分析了开关电容滤波器的基本工作原理，并对开关电容滤波器芯片m a x 2 6 0 进行了详细介绍，最后对基于开关电容滤波器的滤波器设计方法做了较为深入的 研究和探讨。 第3 章系统硬件设计 介绍了可编程滤波器系统硬件设计的总体结构，详细阐述了系统各部分的硬 件设计。将用单片集成的精密匹配的双d a c 构成的程控放大器作为滤波器的增 硕十学位论文 益控制电路，既可控制滤波器的增益，又可提高滤波器的动态范围。 第4 章滤波器系统可编程设计的实现方法 在研究通用的二阶低通、高通及带通滤波器的基础上，对利用开关电容滤波 器芯片实现滤波器的方法进行了深入的分析，得出了一种开关电容滤波器设计可 编程滤波器系统的设计及控制方法，并计算得到了大量的滤波器设计参数，最后 通过一个实例设计对此方法的具体实现步骤进行了详细说明。此设计方法虽然是 基于开关电容滤波器芯片m a x 2 6 0 提出，但对通用的各种开关电容滤波器的应用 设计都有较大的参考价值，具有很大的实际意义。 第5 章f p g a 控制系统软件设计 对滤波器系统的软件设计方法进行了详细的阐述，主要包括对开关电容滤波 器、增益电路、放大和检测电路的控制及各种芯片的接口时序设计、键盘检测控 制和显示控制的介绍，并给出了各部分控制程序的仿真波形。对f p g a 生成开关 电容时钟信号的方法进行了研究和探讨，提出了一种较为通用的开关电容滤波器 时钟信号的设计方法。 第6 章系统的调试和测试结果 介绍系统的调试过程和实验结果，对滤波器的滤波性能进行了一定的测试和 数据分析，对系统存在的问题提出了解决方案。着重分析了抗混叠设计的解决方 案，提出了一种分频率段对整个系统进行抗混叠滤波器设计的方法，可以有效地 提高系统的抗混叠性能。 在结论中，对论文的研究成果做了总结，并对系统的改进作了适当的讨论。 町编程开关也容滤波器系统的研究j 实现 第2 章开关电容滤波器 2 1 开关电容滤波器的基本原理 开关电容滤波器电路的实质是采样数据系统，它直接处理模拟信号，与数字 滤波器相比，因无需进行a d 、d a 转换，省去了量化过程，整体结构更为简单， 处理速度更快。因此，开关电容滤波器虽然在离散域工作，但仍属模拟滤波器之 列1 。 开关电容滤波器的基本电路如图2 1 所示，电路节点1 和节点2 之间由高速 开关丁l 、乃和电容器c l 组成开关电容，其效果相当于该两节点间接一个电阻， 即用一个接地电容器c l 和高速m o s f e t 开关管丁l 、乃代替有源r c 积分器( 如图 2 2 所示) 中的电阻尺心。 。 哆矾 图2 1 开关电容积分器 c 图2 2 有源r c 积分器 图2 1 中，乃和死分别由周期为疋的不重叠的两相时钟脉冲西l 、痧2 驱动。 当咖l 为高电平西2 为低电平时，开关乃导通乃截止，电容c i 由输入信号k 充 电，充电电荷量为c l 以；当p 2 为高电平痧l 为低电平时，开关乃截止乃导通， c i 放电，将电荷传输至c 2 上。 一个时钟周期瓦内，节点1 、2 间流过的平均电流为 l = c l k t ( 2 1 ) 一般疋很小，可将节点l 、2 间近似为一个等效电阻r 洲阻值为 如= l = 乃c , = l “f c i ) ( 2 2 ) 尺钾的阻值与时钟频率工相关，故等效电阻r 。口又可称为频控电阻。于是可得 硕十学位论文 到一个等效的积分器时间常数t 百= c 2 如= 乃c 2 c a ( 2 3 ) 即滤波器的时间常数仅取决于时钟周期疋和电容比值c 2 c l ，与电容的绝对 值无关。开关电容集成芯片中电容比值的精度可控制在0 1 以内，故只要改变时 钟频率尼就可以控制滤波器的时间常数，也即可用时钟频率尼决定滤波器的中心 频率或截止频率届，疋又称为采样频率n5 1 钆2 2 2 引。 基于上述基本原理，人们利用大规模集成电路技术和数字电路技术及成果研 究开发了多种开关电容滤波器芯片，如国家半导体公司的l m f lo l m f l0 0 电阻可 编程开关电容滤波器，美信公司的m a x 2 6 x 系列引脚可编程总线编程通用型 c m o s 开关电容滤波器，凌特公司的l t c l 0 6 x 系列等。 2 2 通用开关电容滤波器m a x 2 6 0 美信公司的m a x 2 6 0 2 6 1 2 6 2 芯片含有两个可编程控制的独立二阶滤波器组 件，通过对每个组件的中心频率或截止频靴、品质因数q 值和工作方式进行独立 的编程设置，不使用任何外部元器件，就可实现精确的滤波器函数，构成巴特沃 思、切比雪夫、贝塞尔、椭圆函数等类型的低通、高通、带通、带阻和全通滤波 器，应用于p p 调谐滤波、抗混叠滤波、自适应滤波、数字信号处理、信号分析和 锁相环等领域心4 1 。 m a x 2 6 0 的中心频率( 截止频率) 范围为7 5 k h z ，m a x 2 6 l 的中心频率( 截止 频率) 范围为5 7 k h z ，m a x 2 6 2 的中心频率( 截止频率) 范围可扩展到1 4 0 k h z 。 本文着重研究开关电容滤波器的可编程实现方法，不关注中心频率( 截止频 率) 的范围，因此选用m a x 2 6 0 芯片作为研究对象。 2 2 1m a x 2 6 0 的功能结构 1 功能及引脚 图2 3 为m a x 2 6 0 的功能框图，按功能可以分为编程接口、内置编程输入存 储器组、时钟电路、独立的开关电容滤波器组件a 和b 。v + 、v 。为正负电源电压 端，g n d 为模拟地，c l k a 、c l k b 分别为滤波器a 、b 的振荡器时钟输入端， c l ko u t 为晶体和r c 振荡器工作的时钟输出端，o s co u t 为振荡器输出端， i n a 、i n s 为滤波器输入端，b p a 、b p b 为带通输出端、l p a 、l p b 为低通输出端， h p a 、h p b 为高通陷波全通输出端，w r 为写允许输入端，a 0 a 3 为编程地址 输入端，d o 、d i 为编程数据输入端。开关电容滤波器组件的时钟频率为输入时 钟频率的一半，即采样频率是输入时钟2 分频后的频率。 可编程开关i 乜容滤波器系统的研究j 实现 矿 v 。 g n d d o ，d1a 0 一a 3w rc l k ao s co u tc l k o u tc l k b 图2 3m a x 2 6 0 功能框图 2 开关电容滤波器组件 m a x 2 6 0 滤波器的一个二阶组件电路结构框图如图2 4 所示，包括一个独立的 运算放大器、一个三输入加法器、两个串接的积分器、4 组开关电容网络s c n 和工 作模式选择开关s 1 s 3 。通过s 1 s 3 的组合，可以实现运算放大器、加法器、积分 器和开关电容网络s c n 的4 种不同连接形式，构造4 种不同的开关电容滤波器工作 模式。 q 0 - q 6 n h p a p b p l p 图2 4 滤波器二阶组件结构框图 设计好滤波器后，可编程工作模式( m 0 ，m 1 ) 控制选择开关s l s 3 ，构造相应 滤波器模式，编程q o q 6 构造滤波器品质因数9 值，编程f 0 f 5 设置滤波器中心频 率或截止频率而。 2 2 2m a x 2 6 0 的编程控制 1 矗和q 值编程计算公式 每个二阶滤波器组件有独立的时钟输入五服和 、q 值控制，实际的中心频率 8 硕l ? 学位论文 ( 截止频率) 是滤波器时钟频率五舢6 位矗控制字和工作模式的函数。通过对 控制字、q 值控制字和工作模式的编程控制，可实现复杂滤波器多项式。 工作模式1 、3 、4 的f c t k y 8 和q 值计算公式为 厶二= ( 6 4 + n f ) 7 【2 ( 2 4 ) q = 6 4 ( 1 2 8 一q ) ( 2 5 ) 工作模式2 的五，觚和q 值计算公式为 厶f o = ( “+ 坼) 7 【2 压 q = 6 4 x 2 ( 1 2 8 一q ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中，m = = 0 6 3 ，为6 位f 0 f 5 二进制代码的十进制等效值，沪0 1 2 7 ，为 7 位q 0 q 6 二进制代码的十进制等效值。f 0 - f 5 、q o q 6 的数据和模式选择( m o 、 m 1 ) 字存储在芯片内部的专用存储单元中。 2 编程接口及存储单元映射 表2 i 程序地址单元 m o am 1 a 000 00 f o a f 1 a 0 0011 f 2 af 3 a 0 0102 f 4 a f 5 a 0 0113 q o aq 1 a 0 1004 q 2 aq 3 a 0 1 0 15 q 4 aq 5 a 0 1106 q 6 a - 0 ii i7 m o am 1 a 1000 8 f o af 1 a 100i9 f 2 af 3 a 1010 1 0 f 4 a f s a 101111 q o aq i a i1001 2 q 2 aq 3 a 110 11 3 q 4 aq 5 a 1110 1 4 q 6 a 11111 5 m a x 2 6 0 的编程控制是通过编程接口逻辑向芯片内部的存储单元写入相应的 数据，每个组件有8 个存储单元，共16 个存储单元。存储单元的地址由芯片引脚 a 0 - 。a 3 的编码信息确定，数据由引脚d o 、d l 输入。存储单元映射关系如表2 1 。 9 町编程开关电容滤波器系统的研究j 实现 由表2 1 可知，m a x 2 6 0 的a 、b 组件是分别编程控制的，1 次仅能写入1 个2 位二进制数据，对1 个存储单元操作。因此，一个组件的编程需要8 次写入 操作，其中而控制字的写入操作需要分3 次、q 值控制字的写入操作需要分4 次， 每次写入操作不影响其它存储单元的数据。但是，只要对存储单元4 7 写入o ， 即滤波器a 的q 值编程代码置零，就可使两个组件都进入待机模式，士5 v 电源供 电时的功耗降低至1 0 m w 。从待机模式激活滤波器只需要2 m s 。 im s 1r r l a h a o a 3 又跛1 _ 1 蓊面耵广半跖 i “d 一卜- - - - t d h d 0 , d 1 图2 5 接口时序 每次写入操作的接口时序如图2 5 所示，其中f a s 为数据建立时间，t a h 为地 址保持时间，t w r 为w r 脉冲低电平宽度，d s 为数据建立时间，d h 为数据保持时 间。地址信息和数据信息同时出现在对应引脚上，w r 的下降沿将地址编码写入 接口逻辑，选择存储单元，w r 的上升沿将数据编码写入存储单元。为了提高抗 干扰能力，可以外接锁存器，如图2 6 所示。 8 d 触发 7 4 h c 3 7 4 a o a l a 2 a 3 d o d l - l 丽 i 5 v l d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 2 0 1 q 2 q 3 q 4 q 5 q 6 q 崩+ v 。 a l a 2 m a x a 3 2 6 0 d o d l r 图2 6 缓冲锁存器逻辑输入接口 2 2 3 滤波器的工作模式 m a x 2 6 0 滤波器组件中，通过m 0 、m l 的取值组合控制图2 4 中开关s 1 、s 2 及 s 3 的位置或状态，可将求和放大器、开关电容网络s c n 和积分器配置成多种连接 形式，使组件工作于不同的滤波器模式，配锄控制字和q 值控制字就可以实现各 种滤波器，如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器等。 m 0 和m 1 的四种取值组合设定组件的4 种常用工作模式( 模式l 模式4 ) ，这些 硕l 学位论文 模式无需连接外部元件。使用与模式3 相同的内部配置和编程代码，仅需外加一个 运算放大器和3 个电阻，便可获得第五种模式一一模式3 a 。 模式1 s c n = 开关电容网络 图2 7 滤波模式1 ：二阶带通、低通和陷波 模式1 ：滤波器等效电路如图2 7 所示，对应图2 4 中开关状态：s l 接地， s 2 接输出l p ，s 3 断开。模式1 在实现全极点低通和带通滤波器，非常适于实现 巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔等滤波器，也可用于二阶陷波器。 模式2 s c n = 开关电容网络 图2 8 滤波模式2 ：二阶带通、低通和陷波 模式3 s c n = 开关电容1 ) c ) 9 络 图2 9 滤波模式3 ：二阶带通、低通和高通 模式2 ：滤波器等效电路如图2 8 所示，对应图2 4 中开关状态：s 1 接地， s 2 接输出l p ，s 3 闭合，用于全极点低通和带通滤波器。模式2 相比模式l 具有 更高的q 值和更低的输出噪声。模式2 可用的五，舶值比模式1 小乏倍，因此， 口，编程开关l u 容滤波器系统的研究j 实现 两种模式一起使用时，利用一种时钟信号就可以选择较宽的 覆盖范围。 模式3 ：滤波器等效电路如图2 9 所示，对应图2 4 中开关状态为s 1 接地， s 2 接地，s 3 闭合。该方式是实现高通滤波器的唯一模式。其最大允许的时钟频 率略小于模式1 。 模式4 s c n = 开关电容网络 图2 1 0 滤波模式4 ：二阶带通、低通和全通 模式4 ：滤波器等效电路如图2 1 0 所示，对应图2 4 中开关状态为s 1 接输入 i n ，s 2 接输出l p ，s 3 断开。模式4 是提供全通输出的唯一方式，常用于实现群 延迟补偿，也可用于全极点低通和带通滤波器。虽然模式4 与模式l 的增益不同， 但都是滤波器最快的工作模式。 显然，开关电容滤波器的最基本单元是二阶滤波器。复杂的滤波器经过分级 后，可以由多个开关电容滤波器的最基本单元级联构成。 2 3 开关电容滤波器的设计 2 3 1 二阶滤波器 由于开关电容滤波器的最基本单元是二阶滤波器，高阶的滤波器可由多个二 阶滤波器级联得到，因此先对二阶滤波器结合开关电容滤波器的模式进行简单说 明n 0 1 。 1 带通 二阶带通滤波器传递函数如下 ) = 矗 ( 2 8 ) 其中h o s e 为角频率= ( o o 时的带通输出增益， = o d o ( 27 c ) 为复数极点对的中心 频率，：i 生f o 处，输入至输出相移为一1 8 0 。q 为复极点对的品质因数，也为如与二 阶带通响应的一3 d b 带宽的比值。 使用开关电容滤波器m a x 2 6 0 时，对全极点带通和低通滤波器( 巴特沃斯、 切比雪夫、贝塞尔) 尽量采用模式l ，模式2 则可能会提供比较接近所需值的选择， 硕l ：学位论文 但模式1 具有最高的带宽。对极零点滤波器( 如椭圆滤波器) 采用模式3 a 。 2 低通 二阶低通滤波器传递函数如下 g ( = 再菇0 3 可 ( 2 9 ) s + s in ) 十： 其中h o t e 为d c 处的低通输出增益，f o = 以2 兀) 。 低通滤波器模式的选用与带通相同。 3 高通 二阶高通滤波器传递函数如下 c 2 g ( s ) = h oe s 2 + s ( r o o q ) + c 0 2 0 。( 2 1 0 c o ) 其h o h p 为f c t t 4 处的高通输出增益，f o = c o o ( 2 冗) 。 m a x 2 6 0 的工作模式中只有模式3 具有高通输出。它将工作于全极点滤波器类 型，如巴特沃斯、切比雪夫和贝塞尔。对使用极点和零点的滤波器则采用模式3 a 。 4 陷波滤波器 二阶陷波滤波器传递函数如下 g = 瓦 ( 2 1 1 ) 为石，处的陷波输出增益，f , v = m n ( 2 冗) 。 对多重极点陷波滤波器，建议采用模式3 a 。在二阶滤波器中，也可采用模式 1 。模式1 的优点是比模式3 具有更高的带宽( 可实现较高的- a ) ，且无需外部元件。 5 全通 全通滤波器在所有频率处的幅度相同，主要用于相位补偿。二阶全通滤波器 传递函数如下 g ( s ) = 再s 2 - 而s ( c o o 面q ) 雨+ o ( 2 1 2 ) h o a e 为d c f l a 4 时全通输出增益， = 以27 【) 。 在m a x 2 6 0 中，只有模式4 能实现全通输出功能。 2 3 2 滤波器的逼近函数 由于实际滤波器的幅度特性i 4 ( q ) i 是理想特性的逼近，则实际幅度平方函数 也将是对理想幅度平方函数的近似逼近函数。设计滤波器川s ) 的关键是要找到合 适的逼近函数乜5 1 。根据选用的近似逼近函数不同，就有相应的滤波器名称。目前 已找到了多种逼近函数，一些逼近函数在滤波器设计中发挥着重要作用，常见的 滤波器逼近函数有： 可编程开关电容滤波器系统的研究j 实现 ( 1 ) 巴特沃思( b u t t e r w o r t h ) 逼近该逼近函数在通带和阻带内的幅频特性单