開關(guān)電容濾波器的“共振”現(xiàn)象及其對(duì)策

1、開關(guān)電容濾波器的“共振”現(xiàn)象及其對(duì)策在信號(hào)處理儀器的硬件系統(tǒng)中抗混是一重要的部件。按照信號(hào)分的的要 求，抗混濾波器的截止頻率范圍控制在10hz20khz。為了提高信號(hào)的頻率辨別率，要求抗混濾波器的帶寬是可變的。比如要分析100hz以內(nèi)的信號(hào)特征，該的帶寬最好選為100hz。設(shè)計(jì)時(shí)，按1、2、4、5倍乘的原則，將20khz頻率范圍分成14檔不同帶寬來處理。若采納普通的模擬低通濾波器必需繁復(fù)、換檔不便、體積太大、不甚有用。用集成開關(guān)濾波器進(jìn)展很快，生產(chǎn)公司不少，器件目前已系列化。它轉(zhuǎn)變截止頻率十分便利，只要程近不同的采樣頻率即可。因此，挑選8階開關(guān)電容橢圓低通濾波器max293作抗混濾波器用。理論

2、上8階低通濾波器適合于制作抗混濾波器，其截止頻率后的衰減為160db/10倍頻，由文獻(xiàn)（1）可知，如截止頻率為1khz，則到1.5khz處，信號(hào)衰減了80db，臨近抱負(fù)的低通濾波器，這是由橢圓濾波的特點(diǎn)所打算的。實(shí)測(cè)的濾特圖（幅頻特性）也有相像結(jié)果。但在試制過程中，發(fā)覺該濾波器有“共振”現(xiàn)象，以下就此現(xiàn)象試作分析。1 開關(guān)電容濾波器的“共振”現(xiàn)象在用nw1232低頻頻率特性測(cè)試m ax293的幅頻特性時(shí)，發(fā)覺屏幕上除了預(yù)期的幅頻特性之外，在采樣頻率及其整數(shù)倍的頻率處具有窄帶通外形的峰值，其高度達(dá)到甚至超過了前面幅頻特性平坦部分的最大值。也就是說，當(dāng)輸入信號(hào)頻率等于采樣頻率或?yàn)椴蓸宇l率的整數(shù)倍時(shí)

3、，浮現(xiàn)了這一現(xiàn)象。此現(xiàn)象從未見文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)過，臨時(shí)稱之為“共振”現(xiàn)象，如在用法中對(duì)其不加處理，則將嚴(yán)峻干擾實(shí)用信號(hào)。為了弄清緣由，重復(fù)作了實(shí)驗(yàn)。實(shí)行自動(dòng)掃描、手動(dòng)掃描、變采樣頻率后掃描等辦法，該現(xiàn)象始終如期而至。為了濾去該“高頻干擾”，在max293電路之后，接上模擬低通濾波器。然而不管接二除低通還是四階低通模擬濾波器，其輸出仍然存在該“干擾”，而且幅值無任何減小。2 “共振”現(xiàn)象的說明用模擬低通濾波器做試驗(yàn)，固然不存在此現(xiàn)象。因此，緣由必定在于具有采樣環(huán)節(jié)的開關(guān)電容上。在開關(guān)電容濾波器中，當(dāng)開關(guān)頻率（即采樣頻率、時(shí)鐘頻率）大大于信號(hào)頻率時(shí)（文獻(xiàn)（2）指出，普通要大于20倍），開關(guān)電容等效于模擬阻

4、容濾波器中的，可推導(dǎo)出，其等效電阻r=1/（c·fc），其中c為電容，fc為開關(guān)濾波。通過分析得到，當(dāng)信號(hào)頻率和采頻率同頻時(shí)，就會(huì)浮現(xiàn)1所示的現(xiàn)象。圖中輸入信號(hào)vi為正弦波（方波也一樣），1、2為同頻采樣信號(hào)。在相位適當(dāng)?shù)臅r(shí)候（1所示），開關(guān)電容濾波器的電容上將浮現(xiàn)輸入信號(hào)的峰值。相位的不同，采樣到的值也不同，但各采樣點(diǎn)所采樣的值是相同的。因此在采樣電容上產(chǎn)生一個(gè)直流信號(hào)，使流波器輸出一個(gè)直流電平。當(dāng)觀看幅頻特性時(shí)，在輸入信號(hào)與采樣信號(hào)同頻且相位合適時(shí)，就浮現(xiàn)了上述所謂的“共振”現(xiàn)象。而且其后的低通模擬濾波器對(duì)此無能為力。同理，當(dāng)信號(hào)頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時(shí)，明顯也會(huì)浮現(xiàn)相同的現(xiàn)象。

5、3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了證明上述的分析，采納2（a）所示的一階低通濾波器作了度驗(yàn)。圖中vi為正弦波輸入，1，2為兩相脈沖作采樣開關(guān)信號(hào)，vo為輸出信號(hào)。在低頻特性測(cè)試儀上測(cè)試，1、2的頻率f為10khz，除了在近100hz處轉(zhuǎn)折的低通幅頻特性外，在10khz、20khz處，浮現(xiàn)了峰值。此處f即為上述的開關(guān)頻率fc，其與低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率的關(guān)系，取決于圖2（a）中的c1和c2之比值。此時(shí)用表測(cè)量vo為直流電壓4v，用晶體管毫伏表測(cè)得輸入信號(hào)值為2.8v。從而證明了上述分析。為了去除“共振”現(xiàn)象，要限制輸入信號(hào)的范圍，使之小于采樣頻率。因此采納集成開關(guān)電容低通濾波器（如max293一類）時(shí)，在其前面，必

6、需要增強(qiáng)模擬低通濾波器，把采樣頻率及其以上的高頻信號(hào)有效的排解在外才行。4 基于max293的有用抗混濾波器集成開關(guān)電容濾波器體積小、階數(shù)高、衰減沿陡、轉(zhuǎn)變通帶寬度十分便利，因此用途非常廣泛，特殊是在要求有不同帶寬的場(chǎng)合。其缺點(diǎn)是本身有開關(guān)噪聲，尤其是存在上述的“共振”現(xiàn)象。因此在用法時(shí)，要按照不同的要求，實(shí)行須要的措施。現(xiàn)以采納max293制作抗混濾波器為例予以解釋。圖3為信號(hào)處理儀器硬件框圖。其中，max293及其前后的模擬低通濾波器一起，組成通帶可編程抗混濾波器。按照界面上測(cè)量顯示信號(hào)的大小，用pc機(jī)上的鍵盤選取量程程控的放大倍數(shù)，以得到幅度合適的信號(hào)。amx293濾波器前后，接有兩個(gè)可編程模擬低通濾波器，它們有同步的三個(gè)可編程轉(zhuǎn)折頻率，由pc機(jī)給出地址，切換到不同值 的濾波電容來實(shí)現(xiàn)。用max293濾波器前的雙二階可編程模擬低通濾波器消退“共振”現(xiàn)象，用后邊的二階低通濾波器消退采樣頻率信號(hào)fc所引起的噪聲。因?yàn)閙ax293從10z20khz分成14檔，其截止頻率與采樣頻率fc之比值為1：100，所以模擬濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為100hz、1khz、10khz三檔，它們能將盯應(yīng)于fc及其以上的信號(hào)諧濾排解在外。max293的不