Полосовой фильтр на коммутируемых конденсаторах с почти прямоугольной характеристикой

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2018

Samuel Kerem

Electronic Design

Описанный ниже фильтр может быть полезен для выделения сигналов даже тогда, когда задача усложняется тем, что частота полезного сигнала отличается от частоты помехи всего на несколько процентов. Предположим, что частота интересующего нас сигнала равна 10 кГц. Ожидаемое отклонение частоты, обусловленное разбросом характеристик генераторов, изменением температуры и старением составляет ±200 Гц.

Усложним ситуацию, добавив помеху на частоте 11 кГц. Для того чтобы удалить из спектра пик на частоте 11 кГц, не затронув полезный сигнал 10 кГц, необходим фильтр с очень крутыми срезами и плоской характеристикой в полосе пропускания от 9.8 кГц до 10.2 кГц. На первый взгляд может показаться, что здесь не обойтись без цифрового фильтра на основе сигнального процессора. Но он нам не потребуется.

Очень крутые спады АЧХ в полосе от 9 кГц до 11 кГц можно получить с помощью микросхемы полосового фильтра на коммутируемых конденсаторах, такой, например, как LTC1068 компании Linear Technology (Рисунок 1). Два маркера показывают, что на частоте 10.1 кГц затухание равно 2.9 дБ, а на частоте 10.6 кГц – 46.7 дБ. Однако полоса пропускания этого фильтра очень узка и составляет примерно ±100 Гц по уровню 3 дБ.

Рисунок 1.	Полоса пропускания фильтра Бесселя восьмого порядка формируется за счет схемы на коммутируемых конденсаторах, обеспечивающей требуемую крутизну спада. Однако полоса пропускания оказывается слишком узкой для типичных приложений.

Центральная частота фильтра в 50 раз ниже тактовой частоты, и, согласно справочным данным, может отличаться от расчетного значения на ±0.9%. Если мы сможем обеспечить управление смещением полосы прозрачности фильтра для сканирования области от 9.7 кГц до 10.3 кГц, то будут покрыты наихудшие условия (неопределенность центральной частоты фильтра 90 Гц и отклонения частоты сигнала на 200 Гц). При этом подавление пика на частоте 11 кГц останется на уровне лучше 50 дБ. Одно предупреждение: появится задержка реакции длительностью в несколько миллисекунд (Рисунок 1).

Рисунок 2.	Полоса прозрачности фильтра может быть сделана плоской путем добавления генератора треугольных импульсов, управляющего входом ПНЧ, который смещает центральную частоту фильтра вперед и назад.

Усовершенствованная конструкция фильтра содержит генератор треугольных импульсов (Рисунок 2). Его выходное напряжение, приложенное к входу преобразователя напряжение-частота (ПНЧ) микросхемы LTC1068, смещает центральную частоту очень узкополосного фильтра вперед и назад на ±5%. Резкие спады АЧХ фильтра создают почти вертикальную характеристику ослабления.

Рисунок 3.	Практическая схема генератора треугольных импульсов с выходным напряжением 2.500 В ±0.125 В.

Один из возможных вариантов схемы генератора треугольных импульсов показан на Рисунке 3. Выходной сигнал генератора равен 2.500 В ±0.125 В. Его размах должен быть согласован с коэффициентом преобразования напряжения в частоту. (В случае LTC1068-50 управляющему напряжению 2.5 В соответствует частота 500 кГц). Затем фильтр пропускает любой сигнал с частотой 10.0 кГц ±500 Гц на вход преобразователя среднеквадратичного значения в постоянное напряжение, значительно ослабляя любые частоты за пределами этого диапазона. Суммарная погрешность представленной конструкции определяется точностью резисторов и напряжения источника питания.

Материалы по теме