滤波器技术的发展与应用毕业设计

滤波器技术的发展与应用

毕业设计

第一章绪论

滤波器技术在计算机测控技术、通信、数据采集等领域均有广泛的应用。如在通信领域中为获得最高信噪比所设置的匹配滤波器和为减少基带传输过程中的码间串扰所设置的均衡器；在数据采集中所设置的限带抗混迭滤波和D/A转化后的平滑滤波；以及在语音识别的研究，为提取语音频谱而设置的带通滤波器组等。在信号频率动态围不宽的场合，设定固定截止频率的滤波器技术已很成熟，但在许多工程应用领域，信号频率动态围往往很宽，如在0.1Hz ~ 20kHz之间变化，因此，有必要采用多种截止频率的滤波器，用程控方法对频率宽动态围的信号进行滤波。传统的方法是用电阻、电容以及运放构成，并通过模拟开关选取不同的阻值以实现截止频率的改变，但这样的分布参数较大，截止频率精度不高，电路复杂。而数字滤波器需要A/D和D/A 转换，在成本和微型化方面存在着不足。本系统设计采用了新型的单片滤波电路——开关电容滤波器（SFC）集成电路，设计出了可以通过编程改变截止频率的滤波器系统，满足了对滤波器灵活应用的要求。

SFC电路的实质是采样数据系统，SFC虽然在离散域工作，但属于模拟滤波器之列，直接处理模拟连续信号，与数字滤波器相比，省去了A/D、D/A装置，这也是SFC能很快进入应用的原因之一，拥有传统模拟滤波器低成本，低功耗的优势，又具有数字滤波器灵活参数设置的特性，具有广阔的应用前景。

随着对微型化要求的日益提高，滤波器的全集成化问题摆在了人们的面前。早期的无源LC滤波器，低频应用时电感所占体积很大，并且不易集成。因此随着集成电路技术的发展，特别是运算放大器的问世，有源RC滤波器的使用越来越广泛。相对于无源LC滤波器来说，有源RC滤波器无电感，因而便于小型化和集成化有源RC滤波器的性能与电阻电容乘积RC有关，但集成电阻精度和稳定性都很差，因此集成的RC滤波器性能不高。这样迫切需要新型的滤波集成电路。开关电容滤波器(Switched Capactor Filter简称SCF)集成电路正是在这种情况下出现并获得越来越多的重视的。在SCF中开关电容C替代了原来RC滤波器中的电阻R。这样滤波器的特性仅取决于开关频率和网络中的电容比。由于单片硅上实现精确而稳定的电容比较为容易，采用特种工艺，其精度通常可达0．01％，因此单片SCF集成电路作为一种全集成化滤波器非常引入注目。

本系统采用了美信公司通用开关电容滤波器芯片，设计如图1－1：

(1)系统增益0～60dB，增益步进1dB可调；通频带为100Hz～40kHz，电压增益误差不大于1%。

(2)系统可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz 围可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1kΩ。

(3)系统可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz 围可调，调节的频率步进为1kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1kΩ。

(4)高低通截止频率的误差均不大于3%。

图1－1 系统图

第二章程控放大器设计2.1放大器噪声分析

在系统中MAX262为了对小信号能进行滤波，增益最大可设置为

60dB,在高增益下，电路设计应将信噪比因素考虑进去。

系统的信号质量可用信噪比（Signal-to-noise ratio, SNR ）表

示 ：

S / N = 有用信号功率电平 / 无用噪声功率电平

噪声系数：

Ni = KTB No

图2－1

系统可用如图2－1二端口网络表示。对于任何一个二端口网络，

噪声系数F 的定义是：

F = 输出端信噪功率输入端信噪功率 = No

So /Ni / Si

噪声系数常用分贝表示，记为NF 。对于增益为G 的二端口网络 输

出噪声No 应为N0 = GNi +网络产生的噪声Nn 。

网络产生的噪声Nn 为：

Nn = No －GNi (W)

F =

No GSi Ni Si // = GNi No

No = FGNi （W ）

以分贝表示输出噪声等于输入噪声No(dB)加上噪声系数F(dB)和

增益G(dB)。 噪声系数只反映本身噪声性能，噪声系数定义基于标准噪声源Ni 。

对于N 个二端口网络级连组成的系统，其总的噪声系数为：

F = F 1 + 121

G F - + 2131G G F - + ∧ + 1211-∧-n G G G Fn

图2－2网络级联

由此可见，第一级的增益、噪声系数对总链路的噪声系数起决定作

用。系统的设计始终应当设法巴第一级或者前两级所产生的噪声减到最小。对第一级的缓冲放大器，应选择低噪声系数的运算放大器，本系统中选用SGOP27运算放大器。SGOP27(以下简称OP27)精密运算放大器的低失调和漂移与高速和低噪声结合在一起，失调降到25μV 且最大漂移为0.6μV/℃，这使得OP27供精密的仪表应用是很理想的。在10Hz 下，特别低的噪声en = 3.5nV/Hz 和低至2.7Hz 的1/f 噪声转折频率，以及高增益（1.8×106）的这些特性，使其能对低电平的信号

做精密的高增益放大。8MHz的增益带宽积和2.8V/μs的转换速率，使该放大器在高速数据采集系统中保持极好的动态精度。

2.2低噪声缓冲放大器设计

通过使用偏置电流抵消电路来获得±10nA的低输入偏置电流。在整个军用温度围，该电路一般使IB和IOS分别保持到±20nA和15nA。其输出级具有很好的负载驱动能力，可保证600Ω负载上的±10V振幅以及低的输入失真，所以OP27供精密的音频应用也是种极好的选择。PSRR和CMRR超过120dB。这些特性连同0.2μV/月的长期漂移，使得电路的设计者能够实现以前只有靠分立的设计才能达到的性能水平。

OP27的低成本和大的产量是通过采用在片的Zener-zap修正网络实现的。这种稳定和可靠的失调修正方案，在多年的生产历史中证明了其有效性。 OP27在低电平信号的低噪声、高精度放大中具有极好的性能。主要应用包括稳定的积分器、精密的求和放大器、精密的电压门限检测器、比较器以及像磁头和麦克风前置放大器这类的专用音频电路。