開關電容濾波器的“共振”現(xiàn)象及其對策

1、開關電容濾波器的“共振”現(xiàn)象及其對策在信號處理儀器的硬件系統(tǒng)中抗混是一重要的部件。按照信號分的的要 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以內的信號特征，該的帶寬最好選為100hz。設計時，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、換檔不便、體積太大、不甚有用。用集成開關濾波器進展很快，生產公司不少，器件目前已系列化。它轉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（1）可知，如截止頻率為1khz，則到1.5khz處，信號衰減了80db，臨近抱負的低通濾波器，這是由橢圓濾波的特點所打算的。實測的濾特圖（幅頻特性）也有相像結果。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 開關電容濾波器的“共振”現(xiàn)象在用nw1232低頻頻率特性測試m ax293的幅頻特性時，發(fā)覺屏幕上除了預期的幅頻特性之外，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，當輸入信號頻率等于采樣頻率或為采樣頻率的整數(shù)倍時

3、，浮現(xiàn)了這一現(xiàn)象。此現(xiàn)象從未見文獻報導過，臨時稱之為“共振”現(xiàn)象，如在用法中對其不加處理，則將嚴峻干擾實用信號。為了弄清緣由，重復作了實驗。實行自動掃描、手動掃描、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，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)的開關電容上。在開關電容濾波器中，當開關頻率（即采樣頻率、時鐘頻率）大大于信號頻率時（文獻（2）指出，普通要大于20倍），開關電容等效于模擬阻

4、容濾波器中的，可推導出，其等效電阻r=1/（c·fc），其中c為電容，fc為開關濾波。通過分析得到，當信號頻率和采頻率同頻時，就會浮現(xiàn)1所示的現(xiàn)象。圖中輸入信號vi為正弦波（方波也一樣），1、2為同頻采樣信號。在相位適當?shù)臅r候（1所示），開關電容濾波器的電容上將浮現(xiàn)輸入信號的峰值。相位的不同，采樣到的值也不同，但各采樣點所采樣的值是相同的。因此在采樣電容上產生一個直流信號，使流波器輸出一個直流電平。當觀看幅頻特性時，在輸入信號與采樣信號同頻且相位合適時，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此無能為力。同理，當信號頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時，明顯也會浮現(xiàn)相同的現(xiàn)象。

5、3 實驗結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。圖中vi為正弦波輸入，1，2為兩相脈沖作采樣開關信號，vo為輸出信號。在低頻特性測試儀上測試，1、2的頻率f為10khz，除了在近100hz處轉折的低通幅頻特性外，在10khz、20khz處，浮現(xiàn)了峰值。此處f即為上述的開關頻率fc，其與低通濾波器的轉折頻率的關系，取決于圖2（a）中的c1和c2之比值。此時用表測量vo為直流電壓4v，用晶體管毫伏表測得輸入信號值為2.8v。從而證明了上述分析。為了去除“共振”現(xiàn)象，要限制輸入信號的范圍，使之小于采樣頻率。因此采納集成開關電容低通濾波器（如max293一類）時，在其前面，必

6、需要增強模擬低通濾波器，把采樣頻率及其以上的高頻信號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電容濾波器體積小、階數(shù)高、衰減沿陡、轉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合。其缺點是本身有開關噪聲，尤其是存在上述的“共振”現(xiàn)象。因此在用法時，要按照不同的要求，實行須要的措施?，F(xiàn)以采納max293制作抗混濾波器為例予以解釋。圖3為信號處理儀器硬件框圖。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。按照界面上測量顯示信號的大小，用pc機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。amx293濾波器前后，接有兩個可編程模擬低通濾波器，它們有同步的三個可編程轉折頻率，由pc機給出地址，切換到不同值 的濾波電容來實現(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fc所引起的噪聲。因為max293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折頻率為100hz、1khz、10khz三檔，它們能將盯應于fc及其以上的信號諧濾排解在外。max293的不