濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方案說明

1、濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方案說明一、設(shè)計(jì)指標(biāo)1、濾波器函數(shù)類型：巴特沃斯、契比雪夫2、濾波器類型：低通、高通、帶通3、中心頻率或截至頻率范圍：1Hz140kHz4、濾波器階數(shù)：4階5、輸入信號(hào)范圍：最大幅值4Vpp，最小幅值mV級(jí)6、輸入信號(hào)：正弦波（040MHz）、方波（01MHz,默認(rèn)占空比50%）兩種，幅度可通過電位器調(diào)節(jié)7、輸出信號(hào)：兩級(jí)程控放大（096dB），一級(jí)程控衰減（048dB）二、設(shè)計(jì)中使用的公式及數(shù)據(jù)表2.1 中心頻率及Q值計(jì)算公式低通高通帶通截止頻率品質(zhì)因數(shù)注：（1）為低通或高通濾波器截止頻率，、為各階巴特沃斯和契比雪夫?qū)?yīng)的歸一化系數(shù)；（2）為帶通濾波器的中心頻率，為帶通濾波器的

2、帶寬，Q為帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)。表2.2 各階濾波器二階濾波器節(jié)B、C表巴特沃斯契比雪夫BCBCN=21.4142141.0000002.3723663.314037N=40.7653671.0000000.5283131.3300311.8477591.0000001.2754800.622925N=60.5176381.0000000.2293871.1293871.4142141.0000000.6266930.8963741.9318521.0000000.8560830.263361注：契比雪夫?yàn)V波器的各階系數(shù)是在通帶波紋為0.1dB下求得。表2.3 4階濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)表（采用歸一化

3、頻率）低通高通帶通f01(Hz)f02(Hz)Q1Q2f01(Hz)f02(Hz)Q1Q2f01(Hz)f02(Hz)Q1Q2巴特沃斯111.3070.541111.3070.5410.9321.0737.0717.071契比雪夫0.7891.1530.6912.1831.2670.8670.6192.1830.8711.1484.2154.215注：（1）表中給出的巴特沃斯和契比雪夫?yàn)V波器系數(shù)均為4階濾波器；（2）契比雪夫?yàn)V波器的通帶波紋為0.1dB，兩種濾波器的帶通模式下為時(shí)的參數(shù)，BW為帶通濾波器的帶寬，Q´為帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)。三、低通濾波器設(shè)計(jì)1、截止頻率及Q值計(jì)算由文獻(xiàn)

4、有源濾波器精確設(shè)計(jì)手冊可以查得四階巴特沃斯和契比雪夫?yàn)V波器各二階節(jié)的B、C值，見表2.2。根據(jù)表2.1，計(jì)算得到四階巴特沃斯和契比雪夫?yàn)V波器各二階濾波器節(jié)的Q值，如表2.3，我們重新整理成表3.1。表3.1 四階低通濾波器各二階濾波器節(jié)的Q值和歸一化頻率四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0.1dB）二階濾波器節(jié)次Q截止頻率（Hz）二階濾波器節(jié)次Q截止頻率（Hz）11.307110.6190.78920.541122.1831.1532、和工作模式編程參數(shù)的確定fclk/f0編程參數(shù)的確定有兩種方法：（1）固定fclk/f0比值，即無需改變頻率比的NF編程值，通過改變時(shí)鐘頻率fclk對應(yīng)改變中心

5、頻率（截止頻率）f0值。也即根據(jù)輸入中心頻率（截止頻率）f0計(jì)算得到時(shí)鐘頻率fclk。（2）固定時(shí)鐘頻率fclk，根據(jù)輸入的中心頻率（截止頻率）f0計(jì)算NF值。由于濾波器不同模式下fclk和fclk/f0比值范圍的限制不同，且一個(gè)固定的時(shí)鐘頻率fclk只能產(chǎn)生滿足64各頻率點(diǎn)的中心頻率（截止頻率）f0，得到的中心頻率（截止頻率）f0的范圍較窄。若要活得較大的中心頻率范圍，需要多個(gè)固定時(shí)鐘頻率點(diǎn)。綜合比較，選擇第一種方式。由于MAX262的工作模式2與其他工作模式的fclk/f0比值可選用的范圍不同，且不同的工作模式下時(shí)鐘和中心頻率的限制范圍也不同。為盡量采用高的fclk/f0比值以提高濾波器的

6、抗混疊性能和減少Q(mào)值和f0的設(shè)計(jì)誤差，設(shè)計(jì)將中心頻率范圍分為三個(gè)頻段，再對三個(gè)頻率段分別選擇各個(gè)工作模式下的fclk/f0比值。由于時(shí)鐘采用單片機(jī)產(chǎn)生，而單片機(jī)1個(gè)指令周期最短為1us，因此其最高頻率fclk=500kHz（2個(gè)指令周期），因此濾波器最高中心頻率（截止頻率）不能超過20kHz，具體fclk/f0比值的選擇見表3.2。從表中可以看出，在低頻率段fclk/f0比值較高，而在高頻率段fclk/f0比值較低。表3.2 fclk/f0比值選擇表f0頻率段工作方式fclk/f0比值1Hzf05kHz1、3、4100.5325kHzf010kHz1、3、450.27210kHzf020kHz

7、1、3、4231.10由表3.1可知，四階巴特沃斯和契比雪夫低通濾波器各二階濾波器的Q值均不大，在模式1下便可查找到較接近的Q值。工作模式確定后，根據(jù)fclk/f0編程比值選擇表3.2。已知Q值、工作模式和fclk/f0編程比值后，查找MAX262芯片資料中的誤差表，得到各階濾波器節(jié)的Ef0和Eq，如表3.3。表3.3 四階低通濾波器誤差數(shù)據(jù)表四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0.1dB）fclk/f0比值二階濾波器節(jié)次Ef0Eq二階濾波器節(jié)次Ef0Eq11.9%-0.9%15.9%-1.7%100.5325.8%-2.1%21.5%-0.8%13.9%-2.7%19.5%-4.2%50.27

8、213.8%-5.3%22.6%-2.2%1誤差大誤差大1誤差大誤差大31.102誤差大誤差大2誤差大誤差大根據(jù)公式 計(jì)算得到誤差修正后的Q值和fclk/f0比值見表3.4。表3.4 四階低通濾波器誤差修正后數(shù)據(jù)表四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0.1dB）fclk/f0比值二階濾波器節(jié)次Q´二階濾波器節(jié)次Q´198.611.295174.640.609100.53294.700.5302114.172.021148.311.273135.890.59450.27243.330.514256.452.1361誤差大誤差大1誤差大誤差大31.102誤差大誤差大2誤差大誤差大

9、根據(jù)誤差修正后的Q值和fclk/f0比值表3.4，查找MAX262芯片資料中的數(shù)據(jù)表，得到各階濾波器節(jié)的fclk/f0比值和Q編程代碼NF和NQ，如表3.5所示。表3.5 四階低通濾波器誤編程數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0.1dB）fclk/f0比值二階濾波器節(jié)次NFNQ二階濾波器節(jié)次NFNQ1377812223100.5323472479715781超模式12050.27254210983、編程參數(shù)設(shè)定根據(jù)設(shè)定的不同濾波器函數(shù)（巴特沃斯、契比雪夫）及不同的截止頻率（1Hzf05kHz、5kHzf010kHz）將表3.5所示的NF及NQ寫入MAX262，并根據(jù)fclk=f0&#

10、215;100.53（1Hzf05kHz）或fclk=f0×50.27（5kHzf010kHz）設(shè)置MAX262的時(shí)鐘頻率。四、高通濾波器設(shè)計(jì)1、截止頻率及Q值計(jì)算由文獻(xiàn)有源濾波器精確設(shè)計(jì)手冊可以查得四階巴特沃斯和契比雪夫?yàn)V波器各二階節(jié)的B、C值，見表2.2。根據(jù)表2.1，計(jì)算得到四階巴特沃斯和契比雪夫?yàn)V波器各二階濾波器節(jié)的Q值，如表2.3，我們重新整理成表4.1。表4.1 四階高通濾波器各二階濾波器節(jié)的Q值和歸一化頻率四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0.1dB）二階濾波器節(jié)次Q截止頻率（Hz）二階濾波器節(jié)次Q截止頻率（Hz）11.307110.6191.26720.541122.

11、1830.8672、和工作模式編程參數(shù)的確定具體fclk/f0比值的選擇如表4.2所示，從表中可以看出，在低頻率段fclk/f0比值較高，而在高頻率段fclk/f0比值較低。表4.2 fclk/f0比值選擇表f0頻率段工作方式fclk/f0比值1Hzf05kHz1、3、4100.5325kHzf010kHz1、3、450.27210kHzf020kHz1、3、4231.10由表4.1可知，四階巴特沃斯和契比雪夫高通濾波器各二階濾波器的Q值均不大，在模式1下便可查找到較接近的Q值。工作模式確定后，根據(jù)fclk/f0編程比值選擇表4.2。已知Q值、工作模式和fclk/f0編程比值后，查找MAX26

12、2芯片資料中的誤差表，得到各階濾波器節(jié)的Ef0和Eq，如表4.3。表4.3 四階高通濾波器誤差數(shù)據(jù)表四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0.1dB）fclk/f0比值二階濾波器節(jié)次Ef0Eq二階濾波器節(jié)次Ef0Eq11.9%-0.9%15.9%-1.7%100.5325.8%-2.1%21.5%-0.8%13.9%-2.7%19.5%-4.2%50.27213.8%-5.3%22.6%-2.2%1誤差大誤差大1誤差大誤差大31.102誤差大誤差大2誤差大誤差大根據(jù)公式 計(jì)算得到誤差修正后的Q值和fclk/f0比值見表4.4。表4.4 四階低通濾波器誤差修正后數(shù)據(jù)表四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋

13、波0.1dB）fclk/f0比值二階濾波器節(jié)次Q´二階濾波器節(jié)次Q´198.611.2951119.860.609100.53294.700.530285.852.021148.311.273157.640.59450.27243.330.514242.452.1361誤差大誤差大1誤差大誤差大31.102誤差大誤差大2誤差大誤差大根據(jù)誤差修正后的Q值和fclk/f0比值表4.4，查找MAX262芯片資料中的數(shù)據(jù)表，得到各階濾波器節(jié)的fclk/f0比值和Q編程代碼NF和NQ，如表4.5所示。表4.5 四階低通濾波器誤編程數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0.1dB

14、）fclk/f0比值二階濾波器節(jié)次NFNQ二階濾波器節(jié)次NFNQ1377815023100.5323472299715781112050.2725421983、編程參數(shù)設(shè)定根據(jù)設(shè)定的不同濾波器函數(shù)（巴特沃斯、契比雪夫）及不同的截止頻率（1Hzf05kHz、5kHzf010kHz）將將表4.5所示的NF及NQ寫入MAX262，并根據(jù)fclk=f0×100.53（1Hzf05kHz）或fclk=f0×50.27（5kHzf010kHz）設(shè)置MAX262的時(shí)鐘頻率。五、帶通濾波器設(shè)計(jì)1、中心頻率及Q值計(jì)算由文獻(xiàn)有源濾波器精確設(shè)計(jì)手冊可以查得四階巴特沃斯和契比雪夫?yàn)V波器各二階節(jié)的B

15、、C值，見表2.2。根據(jù)表2.1，計(jì)算得到四階巴特沃斯和契比雪夫?yàn)V波器各二階濾波器節(jié)的Q值，如表2.3，我們重新整理成表5.1。表5.1 四階帶通濾波器各二階濾波器節(jié)的Q值和歸一化頻率四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0.1dB）二階濾波器節(jié)次Q中心頻率（Hz）二階濾波器節(jié)次Q中心頻率（Hz）17.0710.93214.2150.87127.0711.07324.2151.1482、和工作模式編程參數(shù)的確定具體fclk/f0比值的選擇如表5.2所示，從表中可以看出，在低頻率段fclk/f0比值較高，而在高頻率段fclk/f0比值較低。表5.2 fclk/f0比值選擇表f0頻率段工作方式fclk

16、/f0比值1Hzf05kHz1、3、4100.5325kHzf010kHz1、3、450.27210kHzf020kHz1、3、4231.10由表5.1可知，四階巴特沃斯和契比雪夫帶通濾波器各二階濾波器的Q值均不大，在模式1下便可查找到較接近的Q值。工作模式確定后，根據(jù)fclk/f0編程比值選擇表5.2。已知Q值、工作模式和fclk/f0編程比值后，查找MAX262芯片資料中的誤差表，得到各階濾波器節(jié)的Ef0和Eq，如表5.3。表5.3 四階低通濾波器誤差數(shù)據(jù)表四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0.1dB）fclk/f0比值二階濾波器節(jié)次Ef0Eq二階濾波器節(jié)次Ef0Eq10.1%-0.15%

17、10.2%-0.5%100.5320.1%-0.15%20.2%-0.5%10.6%-0.8%10.5%-1.4%50.2720.6%-0.8%20.5%-1.4%1誤差大誤差大1誤差大誤差大31.102誤差大誤差大2誤差大誤差大根據(jù)公式 計(jì)算得到誤差修正后的Q值和fclk/f0比值見表5.4。表5.4 四階低通濾波器誤差修正后數(shù)據(jù)表四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0.1dB）fclk/f0比值二階濾波器節(jié)次Q´二階濾波器節(jié)次Q´1100.427.0601100.334.194100.532100.427.0602100.334.194149.977.015150.014.15750.27249.977.015250.014.1571誤差大誤差大1誤差大誤差大31.102誤差大誤差大2誤差大誤差大根據(jù)誤差修正后的Q值和fclk/f0比值表3.4，查找MAX262芯片資料中的數(shù)據(jù)表，得到各階濾波器節(jié)的fclk/f0比值和Q編程代碼NF和NQ，如表5.5所示。表5.5 四階低通濾波器誤編程數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表四階巴特沃斯四階契比雪夫（通帶紋波0