5. 开关电容滤波器模块

模块描述

开关电容滤波器用开关和电容模拟电阻,实现精确可编程的滤波特性。典型芯片如MAX7400系列(8阶低通)、LTC1563(4阶通用),通过时钟频率fc控制截止频率,精度可达0.2%。优点是无需精密电阻,截止频率可电控调节,集成度高。在电赛中用于抗混叠滤波、精密频率控制、自动调谐系统、通信系统等场合。

工作原理

开关电容原理:
         SW1      SW2
[Vin]→┬→[  ]→┬→[  ]→┬→[Vout]
      │       │      │
     [C1]    [C2]   [GND]
      │       │
     [GND]   [GND]

时钟控制SW1/SW2交替开关:
- Φ1: SW1闭合,C充电Q=C·Vin
- Φ2: SW2闭合,C放电到输出
- 等效电阻: Req = 1/(f·C), f为开关频率

开关电容滤波器IC:
[Vin] → [SC积分器] → [SC积分器] → ... → [Vout]
           ↑              ↑
        [时钟CLK]     [时钟CLK]

截止频率: fc = fCLK / 100 (典型)
调节fc: 改变fCLK即可,比例精确

MAX7400系列框图:
[Vin] → [8阶巴特沃斯/贝塞尔/椭圆] → [Vout]
           ↑
      [CLK输入]
      fc = fCLK / 100

优点:
- 无需精密电阻
- fc精度取决于时钟(晶振0.01%)
- 电控调节fc(VCO控制CLK)
- 片上集成,体积小

技术指标

- 芯片型号:

  1. MAX7400-MAX7409: 8阶低通/高通/带通
  2. LTC1563: 4阶通用滤波器
  3. MF10: 双二阶通用滤波器

- 截止频率范围:

  1. MAX7400: 1Hz - 25kHz (fCLK:50Hz - 2.5MHz)
  2. LTC1563: DC - 250kHz

- 时钟频率比: fc = fCLK / K

  1. MAX7400: K=100
  2. LTC1563: K=可编程

- 滤波器类型:

  1. 低通: 巴特沃斯/贝塞尔/椭圆
  2. 高通/带通: 部分型号支持
  3. 陷波: 级联实现

- 阶数: 4阶, 6阶, 8阶 - 阻带衰减: -80dB至-100dB (8阶) - 通带纹波: <0.05dB (巴特沃斯) - THD: <0.05% @ 1kHz - 动态范围: 85dB - 电源电压: +5V单电源或±5V双电源 - 功耗: 10-50mW

接口管脚定义 (MAX7400为例)

管脚 名称 功能 说明
————————
1 SHDN 关断控制 低电平关断,省电
2 CLK 时钟输入 方波/TTL电平
3 GND 地 模拟地和数字地
4 IN 信号输入 0-5V模拟输入
5 V+ 电源 +5V单电源
6 OUT 信号输出 滤波后输出
7 OS 时钟监测 时钟频率输出(fc)
8 NC 空脚 不连接

板上设置和信号指示

- 电源: 单+5V或双±5V,去耦100nF+10μF - 时钟源:

  1. 晶振+方波生成电路
  2. MCU PWM输出
  3. 555定时器
  4. 信号发生器
  5. VCO(压控振荡器)实现电压控制fc

- 时钟缓冲: 74HC04/74HC14施密特触发器整形 - 输入保护: 串联电阻+钳位二极管 - 输出缓冲: 运放跟随器驱动后级 - 控制接口:

  1. SHDN脚控制开关机
  2. CLK频率调节fc

- LED指示: 电源,时钟,信号检测 - 测试点: CLK, IN, OUT测试点 - 旁路: 可用开关旁路滤波器对比

电气指标

- 电源电压: +4.5V至+5.5V (单电源), ±4.5V至±5.5V (双电源) - 电源电流: 2mA (MAX7400), 10mA (LTC1563) - 关断电流: <1μA - 输入电压范围: 0-5V (单电源), ±2.5V (双电源) - 输出电压范围: 0-5V (单电源), ±2.5V (双电源) - 输入阻抗: 10kΩ (典型) - 输出阻抗: 200Ω (MAX7400), 需缓冲 - 时钟输入: TTL电平,2-5V方波 - 时钟频率范围: 10kHz - 2.5MHz - fc精度: ±0.2% (取决于时钟精度) - fc温度系数: ±25ppm/°C (晶振时钟) - 噪声: 200μVrms @ 10kHz带宽 - THD+N: -70dB @ 1kHz - 信噪比: 85dB - 建立时间: 10个时钟周期

使用说明

1. 截止频率设置:

  1. 确定所需fc (如1kHz)
  2. 计算fCLK: fCLK = 100 × fc = 100kHz (MAX7400)
  3. 选择时钟源: 晶振分频, MCU PWM, 555振荡器

2. 时钟源设计: 

 ```
 方法1: MCU PWM
 - STM32定时器PWM输出100kHz方波
 - 占空比50%,电平3.3V或5V TTL
 方法2: 555定时器
 - R=7.2kΩ, C=1nF
 - f=1.44/((R1+2R2)·C) = 100kHz
 方法3: 晶振分频
 - 8MHz晶振 → 74HC4060分频80 → 100kHz
 ```

3. VCO电压控制fc:

  1. 用VCO(如CD4046)产生可变时钟
  2. 控制电压0-5V → fCLK 10kHz-1MHz → fc 100Hz-10kHz
  3. 实现压控滤波器(VCF)

4. 输入输出接口:

  1. 输入: AC耦合(1μF电容) + DC偏置到2.5V (单电源)
  2. 输出: 缓冲器(TL082跟随器)驱动负载
  3. 阻抗匹配: 输入串联10kΩ,输出并联10kΩ到地

5. 滤波器类型选择:

  1. MAX7400: 8阶巴特沃斯低通(最平坦)
  2. MAX7401: 8阶贝塞尔低通(线性相位)
  3. MAX7402: 8阶椭圆低通(最陡峭)
  4. 根据应用选择: 音频→贝塞尔, 抗混叠→巴特沃斯, 通信→椭圆

6. 抗混叠应用:

  1. ADC采样率fs=10kHz
  2. 抗混叠滤波器fc=0.4×fs=4kHz
  3. 时钟fCLK=400kHz
  4. MAX7400 8阶衰减>80dB@5kHz,满足要求

7. PCB设计:

  1. 时钟走线远离模拟信号
  2. 数字地和模拟地分离,单点接地
  3. 电源去耦电容靠近芯片
  4. 时钟输入加串联电阻+并联电容(RC滤波)

8. 调试与测试:

  1. 示波器监测时钟波形(方波,占空比50%)
  2. 扫频测试fc精度(信号源+示波器/频谱仪)
  3. 阶跃响应测试(方波输入,观察输出)
  4. THD测试(失真度分析仪)

全国大学生电子设计竞赛相关赛题

- 2021年E题: 简易电路特性测试仪(可调滤波器) - 2019年: 数据采集系统(抗混叠滤波) - 2017年E题: 远程幅频特性测试装置(精确fc) - 2015年: 通信系统(信道滤波) - 2013年: 信号分析与处理(可编程滤波) - 2011年D题: 波形采集(高精度抗混叠) - 2009年: 音频处理(低失真滤波) - 2007年B题: 程控滤波器(核心器件)

应用技术要点总结

1. 优势:

  1. 精度高: fc误差<0.2%,取决于时钟晶振
  2. 可编程: 改变fCLK即调节fc,无需更换元件
  3. 一致性好: 批量生产fc一致
  4. 集成度高: 单芯片实现高阶滤波器
  5. 体积小: 替代大量RC元件

2. 劣势:

  1. 时钟噪声: 时钟信号可能耦合到输出
  2. 混叠: fCLK/2是折叠频率,需前置抗混叠
  3. 动态范围: 不如连续时间滤波器
  4. 功耗: 略高于无源滤波器
  5. 频率上限: 一般<250kHz

3. 时钟要求:

  1. 占空比: 40%-60%可接受,50%最佳
  2. 电平: TTL/CMOS兼容
  3. 稳定性: 晶振优于RC振荡器
  4. 纹波: 时钟纹波会转换为输出噪声

4. fc调节方法:

  1. 固定: 晶振+分频器,精度最高
  2. 可调: MCU PWM可编程输出
  3. 电压控制: VCO实现模拟控制
  4. 数字控制: DDS精确产生fCLK

5. 与RC滤波器对比:

  1. SC优势: 精度,可编程,一致性
  2. RC优势: 噪声低,频率高,无时钟
  3. 混合: RC前置+SC精调

6. 噪声优化:

  1. 时钟整形: 施密特触发器
  2. 时钟滤波: RC低通滤波时钟线
  3. 电源滤波: LC滤波器+大电容
  4. 屏蔽: 时钟与信号隔离

7. 多通道应用:

  1. 共用时钟: 多个SC滤波器同步
  2. fc比例: 不同分频比实现不同fc
  3. 相位匹配: 同型号芯片相位一致

8. 替代方案:

  1. 数字滤波器: FIR/IIR更灵活但需ADC+DSP
  2. 连续时间: 更低噪声和更高频率
  3. 混合滤波: SC粗调+RC微调