Простой перестраиваемый фильтр нижних частот

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2013

Bonnie Baker

EDN

Среди фильтров, используемых в системах сбора данных, наиболее распространены фильтры нижних частот. Чаще всего они используются для уменьшения ошибок, вызываемых наложением спектров при аналого-цифровом преобразовании. Параметры этих фильтров должны быть достаточно жестко увязаны с характеристиками входных сигналов. Если в схеме есть входной мультиплексор, через который на вход АЦП поступают сигналы от разных источников, то каждому сигналу, скорее всего, потребуется свой набор параметров фильтра. Следовательно, на каждом входе, возможно, придется ставить отдельный фильтр с индивидуальной настройкой частоты среза. В подобных фильтрах используются независимые операционные усилители в комбинации с постоянными резисторами и конденсаторами.

Рисунок 1.	Для этого аналогового фильтра второго порядка требуется совсем немного компонентов: сдвоенный цифровой потенциометр, два конденсатора и один операционный усилитель.

Для показанной на Рисунке 1 альтернативной схемы требуется единственный программируемый фильтр, расположенный после мультиплексора. Очевидным преимуществом такой схемы является сокращение количества операционных усилителей до одного. Кроме того, и цена схемы, в которой несколько усилителей заменены единственным, будет меньше. Имея сдвоенный цифровой потенциометр (ЦП), два конденсатора и один операционный усилитель, вы можете сделать фильтр Баттерворта второго порядка, частота среза которого перестраивается в диапазоне 1:100. Настройки цифровых потенциометров для всех частот диапазона показаны в Таблице 1.

Таблица 1.

Коды программирования цифровых потенциометров для фильтра Баттерворта в диапазоне частот среза от 100 Гц до 10 кГц (C1 = 33 нФ, C2 = 15 нФ).

Частота среза Вычисленное значение R1 (±1%) Ближайшее номинальное значение сопротивления ЦП R1 Десятичный код ЦП R1 Вычисленное значение R2 (±1%) Ближайшее номинальное значение сопротивления ЦП R2 Десятичный код ЦП R2 100 Гц 52.3 кОм 52.3 кОм 134 97.6 кОм 97.7 кОм 250 200 Гц 26.1 кОм 26.2 кОм 67 48.7 кОм 48.8 кОм 125 300 Гц 16.9 кОм 16.8 кОм 43 32.4 кОм 32.4 кОм 83 1 кГц 5.23 кОм 5.11 кОм 13 9.76 кОм 9.77 кОм 25 2 кГц 2.61 кОм 2.7 кОм 7 4.87 кОм 4.69 кОм 12 3 кГц 1.69 кОм 1.56 кОм 4 3.24 кОм 3.13 кОм 8 10 кГц 523 Ом 390 Ом 1 976 Ом 781 Ом 2

Эта схема позволяет программировать фильтры Бесселя или Чебышева второго порядка с частотой среза, программируемой в диапазоне 1:100. Кроме того, с этой же схемой вы можете реализовать комбинацию фильтров Баттерворта, Бесселя и Чебышева с диапазоном частот среза 1:10.

На Рисунке 1 изображена структурная схема фильтра нижних частот Саллена-Кея второго порядка с единичным усилением и однополярным питанием. Активным элементом фильтра является rail-to-rail операционный усилитель OPA314. Кроме усилителя для фильтра требуются два конденсатора и два резистора, функцию которых выполняет микросхема TPL0102-100, содержащая два 8-битных цифровых потенциометра сопротивлением 100 кОм. Перепрограммирование цифрового потенциометра изменяет частоту среза и параметры аппроксимации (фильтр Баттерворта, Бесселя или Чебышева) фильтра нижних частот второго порядка.

Требуемые номиналы резисторов и конденсаторов после небольшого исследования вы можете рассчитать с помощью остро заточенного карандаша и хорошего ластика. Альтернативой этому утомительному упражнению в конструировании может быть предлагаемое TI средство онлайн проектирования фильтров WEBENCH Filter Designer.

В окне ввода (Рисунок 2) нажмите радиокнопку «Lowpass» (фильтр нижних частот) и задайте параметры фильтра: Ao = 1 V/V, fc = 100, fs = 1000, Asb = –35 dB. Эти параметры будут соответствовать фильтру Баттерворта второго порядка. На этом этапе из списка Supply Voltage вы также можете выбрать требуемое напряжение питания. Затем нажмите зеленую кнопку «Start Filter Design» («Начать конструирование фильтра».

Рисунок 2.	Окно ввода исходных параметров программы WEBENCH Filter Designer.

На следующей странице вам предложат оформленный в виде таблицы список возможных вариантов фильтров. Выберите Butterworth, нажав кнопку «Select» в соответствующей строке таблицы.

Итоговая третья страница проекта «Filter Designer Design Summary» дает пользователю возможность скорректировать первоначально предложенные номиналы конденсаторов C₁ и C₂. Предназначенная для этого секция расположена с левой стороны и называется «Filter Topology Specifications». Измените начальные значения емкостей на 15 e-9 (15 нФ) и нажмите кнопку «Update». Программа произведет соответствующие изменения сопротивлений резисторов.

Чтобы заполнить Таблицу 1, вернитесь на первую страницу и повторите описанную выше последовательность действий. При этом не забывайте, что частота fs должна быть в десять раз больше, чем fc.

В этой небольшой статье вы познакомились с технологией быстрой разработки перестраиваемого аналогового фильтра. Это лишь один из подходов к построению программируемых аналоговых фильтров. Возможно, вам известны другие способы решения этой задачи. Поделитесь ими.