数控滤波器及其集成电路

5．2．6　数控滤波器及其集成电路

测控系统中使用的有源RC滤波器是由运算放大器外接电阻、电容构成的，如要改变滤波频率，就需更换外接电阻或电容，这不仅不便于实现整个滤波器的集成化，而且不能对滤波频率进行数字式自动控制。目前，新型的开关电容式集成滤波器和集成状态变量滤波器的出现，实现了滤波器的集成化和滤波频率的数字控制，在微机测控系统中得到越来越广泛的应用。

1）开关电容集成滤波器

简单的开关电容（SC）电路工作原理如图5．30所示，其中图5．30（a）是电路原形。开关一般采用MOS场效应管，两个MOS管的栅极分别由两个相位相反的时钟信号φ和控制。时钟信号的周期为T，占空比为50%，如图3．32（b）所示。在φ和φ的作用下，MOS管轮流导通，使电路等效于图5．30（c）所示，在时钟信号的前半周和后半周，电容分别接到A端口和B端口。当接到A端口时，V₁给电容充电，使电容中电荷储量q₁＝CV₁；当接到B端口（同时离开A端口）时，电容向B端负载放电，在负载两端形成电压V₂，电容中电荷量变为q₂＝CV₂。而在时钟信号的一个周期T内，电容中的电荷量变化为Δq＝q₁－q₂＝C（V₁－V₂）。这个开关动作的过程，使电荷量Δq从A端传送到了B端，这相当于有一个电流i从A端流向B端，其值为：

图5．30　开关电容滤波器电路的工作原理

只要开关频率远大于电压V₁和V₂的最高频率，就可认为在时间T内V₁和V₂保持不变。上述开关电容滤波器电路等效于一个接在A和B之间的电阻，如图5．30（d）所示，其阻值为：

式中：f_CLK为开关电容滤波器电路的时钟频率。

式（5．61）提示我们，滤波器中的电阻R可用SC电路或式（5．61）模拟。当要求某滤波器转折频率为：

则当R用开关电容滤波器电路模拟时，将式（5．61）代入式（5．62）后便可得该滤波器的转折频率f_X为：

式（5．63）表明，开关电容滤波器的滤波频率取决于电容比值C／C_X和时钟频率f_CLK。虽然MOS集成工艺很难制造大的电阻和电容，但要制造两个小电容C和C_X，并满足两者的比值具有足够精度，却不难实现。

因此，开关电容集成滤波器无需外接电阻或电容，滤波器的滤波频率仅由输入时钟频率f_CLK来决定，通常f_CLK应为滤波器滤波频率的50倍或100倍。

2）MAX系列八阶低通集成滤波器

由美国MAXIM公司生产的MAX系列八阶低通集成滤波器（外形见图5．31），是上述数控集成滤波器的一种，它可以单电源或双电源应用。只要选择适当的时钟频率送入该集成电路的CLK（时钟输入）端，即可达到滤波的目的。也可以使用内部振荡器，在CLK端对地接一个合适的电容达到同样的目的（电容按C＝10⁵／（3f_X）（pF）确定）。内部还有一个独立运算放大器，可与外接阻容元件构成传感器后置或抗混叠用连续时间低通滤波器。

CLK为时钟输入端；V_－为负电源；V_＋为正电源；GND为地；IN为信号输入端；OUT为信号输出端；NC为空脚；OP IN为独立运放输入端；OP OUT为独立运放输出端

图5．31　MAX29系列外形

表5．2列出了MAX系列八阶滤波器的种类及特性。表中第4列是两种频率的比值。例如MAX291，比值为100∶1，若需构建转折频率为1kHz的滤波器，则应从CLK端输入100kHz的时钟。

表5．2　MAX系列八阶滤波器特性

表中所列滤波器允许外接振荡器的最高频率为2．5MHz。

图5．32是该集成滤波器的典型应用。图中使用单电源，C为电源退藕电容，R为分压电阻，使GND端处于电源中点电平。因不用内置运放，将OP IN和OP OUT短接。图5．33是使用内置独立运放时的外接电路图，该运放的同相端已经在内部连接到GND。图中外接电路表明，所构建的滤波器电路为负端输入二阶巴特沃斯滤波器，并具有10kHz的转折频率。

图5．32　MAX的典型应用

图5．33　使用独立运放构成的巴特沃斯滤波器电路

表5．3还列出了当需改变转折频率时对应的阻容元件值。

表5．3　图5．33滤波器转折频率频率改变时对应的阻、容值