显示页面 讨论 修订记录 反向链接 本页面只读。您可以查看源文件，但不能更改它。如果您觉得这是系统错误，请联系管理员。 ### 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**: - MAX7400-MAX7409: 8阶低通/高通/带通 - LTC1563: 4阶通用滤波器 - MF10: 双二阶通用滤波器 - **截止频率范围**: - MAX7400: 1Hz - 25kHz (fCLK:50Hz - 2.5MHz) - LTC1563: DC - 250kHz - **时钟频率比**: fc = fCLK / K - MAX7400: K=100 - LTC1563: K=可编程 - **滤波器类型**: - 低通: 巴特沃斯/贝塞尔/椭圆 - 高通/带通: 部分型号支持 - 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**: - 晶振+方波生成电路 - MCU PWM输出 - 555定时器 - 信号发生器 - 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**: - SHDN脚控制开关机 - 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**: - 确定所需fc (如1kHz) - 计算fCLK: fCLK = 100 × fc = 100kHz (MAX7400) - 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**: - 用VCO(如CD4046)产生可变时钟 - 控制电压0-5V → fCLK 10kHz-1MHz → fc 100Hz-10kHz - 实现压控滤波器(VCF) 4. **输入输出接口**: - 输入: AC耦合(1μF电容) + DC偏置到2.5V (单电源) - 输出: 缓冲器(TL082跟随器)驱动负载 - 阻抗匹配: 输入串联10kΩ,输出并联10kΩ到地 5. **滤波器类型选择**: - MAX7400: 8阶巴特沃斯低通(最平坦) - MAX7401: 8阶贝塞尔低通(线性相位) - MAX7402: 8阶椭圆低通(最陡峭) - 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**: - ADC采样率fs=10kHz - 抗混叠滤波器fc=0.4×fs=4kHz - 时钟fCLK=400kHz - MAX7400 8阶衰减>80dB@5kHz,满足要求 7. **PCB设计**: - 时钟走线远离模拟信号 - 数字地和模拟地分离,单点接地 - 电源去耦电容靠近芯片 - 时钟输入加串联电阻+并联电容(RC滤波) 8. **调试与测试**: - 示波器监测时钟波形(方波,占空比50%) - 扫频测试fc精度(信号源+示波器/频谱仪) - 阶跃响应测试(方波输入,观察输出) - 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**: - 精度高: fc误差<0.2%,取决于时钟晶振 - 可编程: 改变fCLK即调节fc,无需更换元件 - 一致性好: 批量生产fc一致 - 集成度高: 单芯片实现高阶滤波器 - 体积小: 替代大量RC元件 2. **劣势**: - 时钟噪声: 时钟信号可能耦合到输出 - 混叠: fCLK/2是折叠频率,需前置抗混叠 - 动态范围: 不如连续时间滤波器 - 功耗: 略高于无源滤波器 - 频率上限: 一般<250kHz 3. **时钟要求**: - 占空比: 40%-60%可接受,50%最佳 - 电平: TTL/CMOS兼容 - 稳定性: 晶振优于RC振荡器 - 纹波: 时钟纹波会转换为输出噪声 4. **fc调节方法**: - 固定: 晶振+分频器,精度最高 - 可调: MCU PWM可编程输出 - 电压控制: VCO实现模拟控制 - 数字控制: DDS精确产生fCLK 5. **与RC滤波器对比**: - SC优势: 精度,可编程,一致性 - RC优势: 噪声低,频率高,无时钟 - 混合: RC前置+SC精调 6. **噪声优化**: - 时钟整形: 施密特触发器 - 时钟滤波: RC低通滤波时钟线 - 电源滤波: LC滤波器+大电容 - 屏蔽: 时钟与信号隔离 7. **多通道应用**: - 共用时钟: 多个SC滤波器同步 - fc比例: 不同分频比实现不同fc - 相位匹配: 同型号芯片相位一致 8. **替代方案**: - 数字滤波器: FIR/IIR更灵活但需ADC+DSP - 连续时间: 更低噪声和更高频率 - 混合滤波: SC粗调+RC微调 ---