MAX261可编程通用开关电容有源滤波器及应用

2007-09-05 19:03

夏红兵　徐守时　王　牧

　　在信号采集系统中，常需要对某种干扰进行压制，从而提高整个系统的信噪比，当干扰信号频率并不固定时，可采用自适应方法控制陷波频率，从而达到最佳滤波效果。MAX261是美国MAXIM公司推出的CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，可以采用微处理器控制其精确滤波器函数，无需外围元件即可构成多种带通、低通、高通、带阻、全通滤波器，其内部含有两个二阶滤波单元，每个单元中心频率、Q值、滤波器工作模式均可由程序设置，具有外围元件少、能处理较宽的频带(与工作频率、输入时钟频率和工作模式有关，最大工作频率范围从0.4Hz至57kHz)、以及可编程控制等优点。与数字滤波器相比，具有处理速度快、整体结构简单，因此它被广泛应用于数字信号处理、自适应滤波、信号分析和锁相环等领域中。

1　内部滤波器单元结构

　　MAX261包括两个二阶开关电容有源滤波器和一个自由运算放大器，每个滤波单元结构见图1。每单元使用了两个级联的积分器和一个加法放大器，片内开关与电容通过反馈控制每个滤波单元的f0(中心频率)和Q值，它们的精确度由内部电容比决定。尽管开关电容网络(SCN)实际上是离散系统，但其特性非常接近于连续时间滤波器。为获得理想二阶状态变量响应，应保证较大的输入时钟频率与滤波器中心频率比(fCLK/fo)。

图1　MAX261滤波器单元结构

3　滤波器工作模式选择

　　在MAX261滤波单元中，可采用几种方式配置加法放大器和积分器，通过将编程模式字M写入芯片内存来选择模式，下面简要介绍一下各模式的用途。

　　模式1：可以构成巴特沃思、切贝雪夫、贝塞尔滤波器，实现全极点低通和带通滤波器。由于相对零点位置固定，只能构成二阶带阻滤波器，此模式与模式4支持高时钟频率。

　　模式2：用来构成全极点低通和带通滤波器，和模式1相比，优点在于能够获得更高的Q值和低噪声输出。

表1典型时钟和中心频率

　　模式3：只有此模式能构成高通滤波器，其最大输入时钟频率小于模式1中采用的频率。

　　模式3A：运用片内自由运放把模式3中高通与低通输出相加构成的带阻输出，通过调整运放外接反馈电阻比率设置f0，建议采用该模式构成多极点带阻滤波器。

　　模式4：只有此模式提供全通输出，也可用来提供全极点低通和带通滤波器，但应当注意此模式具有几种模式中最大的抽样误差。 

4　滤波器设计步骤

　　MAXIM公司为MAX260系列滤波器提供了设计软件，可以大大的简化设计过程。第一步，决定所需滤波器的类型(巴特沃思、切贝雪夫等)及最佳选择的极点数，片与片之间可通过级联获得更高阶数的滤波器，程序将绘制出频响图并计算出每个二阶单元的f0和Q值，当不采用设计软件时，应注意f0、fCLK和Q应满足表1中的要求。第二步，根据第一步中计算的f0和Q计算出每个二阶单元编程系数N(对应于f0和Q有两个值)，并选择输入时钟频率和滤波器运行模式M。第三步，通过PC机的并行打印口将编程系数N和M通过ASCII字符的形式写入滤波器。

　　对于MAX261，表1给出典型时钟和中心频率。f0和Q与编程系数N之间关系式(1.1)和(1.2)式，由于模式2中fCLK／f0减少为其它模式的1／2，所采用函数与模式1，3，4中不同。

　　模式1，3，4中

fCLK／f0=(+N)π/2，Q=/(128-N)　　(1.1)

　　模式2中

fCLK／f0=1.11072*(+N)，Q=90.51/(128-N)　(1.2)

图3

#include　　//定义stdprn(标准打印口)的头文件

　　… …

int main(void)

｛…float fCLK=4e6,Q=6.0,f0,n1,n2；　//定义时钟频率

为4MHz，Q值为6

　int add=0,m=1；

//m=1,选择工作模式1

　n1=int(fCLK*2/(3.14159*f0)-)；　fCLK为时钟频

率，f0为检测到的干扰频率

　n2=int(128-Q/)；　// n1为f0编程数据位，n2为Q编程数据位

　fprintf(stdprn,"%c",char(add+m-1));　// 往打印口

输出模式编程数据位

　for(i=1;i<4;i++)

　 ｛x=add+(n1-4*int(n1/4))；

　　 fprintf(stdprn,"%c",char(x));　//输出f0编程数据位(将n1转换为二进制，一次输出

　　 f=int(n1/4);add=add+4;｝　//两位)。

　for(i=1;i<5;i++)

　｛x=add+(n2-4*int(n2/4))；

　　fprintf(stdprn,"%c",char(x));

　　N=int(n2/4);add=add+4;｝　//输出Q编程数据

位(方法同上)

…｝

作者单位：合肥市中国科学技术大学(230027)

参考文献

　[1]MAX260/261/262 Data sheet,MAX274/275 Data sheet.MAXIM Integrated Products

　[2]