開關(guān)電容濾波器的系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

開關(guān)電容濾波器(Switch Capitor Filter，SCF)是一種由MOS開關(guān)、電容器和運算放大器構(gòu)成的離散時間模擬濾波器，實際應用中，該濾波器可與其他電路集成在同一個芯片上，通過外部端子的適當連接獲得不同的響應特性。某些單獨的開關(guān)電容濾波器可作為通用濾波器使用，例如自適應濾波、跟蹤濾波、振動分析以及語言和音樂合成等。但運算放大器帶寬、電路的寄生參數(shù)、開關(guān)與運算放大器的非理想特性以及MOS器件的噪聲等都會直接影響這類濾波器的性能。開關(guān)電容濾波器的工作頻率不高，其應用范圍目前僅限于音頻頻段。但隨語音／數(shù)據(jù)通信及微電子測量儀器領(lǐng)域內(nèi)對單片集成MOSFET有源濾波器的需求劇增，促使了開關(guān)電容濾波器的研究與開發(fā)，特別是高階SCF。因此，這里提出一種開關(guān)電容濾波器的系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 開關(guān)電容濾波器的選型
1．1 類型選擇
    這里所設(shè)計的開關(guān)電容濾波器是應用于電力線信號傳輸，傳輸信號頻率為57．6±16、76．8±16和115．2±16 kHz，所以需要將電力線上的低頻噪聲(包括電力線上50 Hz的電源信號)濾除，同時還需要濾除各種不可知的高頻噪聲。這樣帶通濾波器成為最佳選擇。
    濾波器的理想濾波特性是，通帶內(nèi)信號完全無衰減通過，阻帶內(nèi)信號完全衰減。但實際應用中，理想的濾波器是不存在的，只能用傳輸函數(shù)近似表達其濾波特性。根據(jù)對濾波器特性的不同要求，選擇不同形式的近似函數(shù)，從而得到常用的濾波器：巴特沃思(Butterworth)濾波器、切比雪夫(Chebyshev)濾波器、橢圓函數(shù)(Elliptic Function)濾波器。
    考慮電力線通訊中的信號與噪聲特性，由于電力線所接觸的環(huán)境復雜，噪聲源多，所以電力線上的噪聲能量很高。尤其在低頻部分，其噪聲能量比信號能量大很多倍。這就要求濾波器有良好的帶外衰減特性，而且不允許阻帶部分出現(xiàn)紋波。因此，橢圓函數(shù)濾波器就不能滿足要求，而巴特沃思濾波器的衰減特性又不夠好。綜合考慮，切比雪夫濾波器是最佳選擇。濾波器階數(shù)越高，其滾降速度越快，但是也意味更大的功耗和版圖面積。于是這里采用6階帶通切比雪夫濾波器。
1．2 實現(xiàn)方式
    高階濾波器的實現(xiàn)方式主要有2種：級聯(lián)法和梯形法。級聯(lián)法需要先得出滿足頻率特性要求的S域傳輸函數(shù)H(s)，然后經(jīng)S域到Z域的頻率變換后得出Z域傳輸函數(shù)H(x)。再將H(x)分解成一階、二階函數(shù)乘積，分別用一階、二階SC基本節(jié)實現(xiàn)，然后級聯(lián)成整個開關(guān)電容濾波器電路。級聯(lián)法實現(xiàn)高階開關(guān)電容濾波器采用雙線性變換法。這種方法簡單明了，而且是直接級聯(lián)，不存在基本節(jié)之間的反饋，只要基本節(jié)穩(wěn)定，整個電路也就是穩(wěn)定的。
    梯形法是無源梯形的有源SC模擬實現(xiàn)的。這種方法可進一步分為元件阻抗模擬和跳耦，前者以LC梯形濾波器為原型，用SC電路模擬原型中的阻抗元件而保持電壓電荷關(guān)系不變；后者則通過用信號流程圖表示LC梯形電路中的電壓電流關(guān)系，然后用SC積分器實現(xiàn)開關(guān)電容濾波器。其中，有源跳耦結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)高選擇性SCF的最佳選擇。因為這種跳耦濾波器不僅具有通帶低靈敏度特性，而且對寄生電容不敏感，因此是設(shè)計者的最佳選擇。
    通過信號流程圖法(SFG)，構(gòu)建同相、反相、有損、無損開關(guān)電容積分器，獲得梯形電路。但這種方法在LC電路原型的串臂中至少存在一個電感，而對于全極點高通SCF，不能使用這種方法，因而只能使用級聯(lián)法。

2 可編程開關(guān)電容帶通濾波器
    濾波器的編程主要是針對其頻域響應進行編程，包括通帶頻率ω0，品質(zhì)因數(shù)Q和傳輸函數(shù)增益的編程。其中，中心頻率編程是最常用的，也是最重要的。這里設(shè)計的濾波器正是對中心頻率的編程，為了得到最合理的編程二次節(jié)結(jié)構(gòu)，首先應深入理解基本的二階帶通濾波器的頻域響應。
    低Q值開關(guān)電容二次節(jié)使用非常廣泛，圖1所示為一種常用的低Q值開關(guān)電容二階帶通濾波器(只要把所有的開關(guān)電容換算成對應的電阻，便可得到其連續(xù)時間RC的實現(xiàn)方式)，不難得出其Z域傳輸函數(shù)：
   
    鑒于開關(guān)電容濾波器一般都是對信號進行過采樣，可以做假設(shè)ωT<<1。于是可得低Q結(jié)構(gòu)的等效S域傳輸函數(shù)：
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    可見，通過對α2和α5同步編程控制實現(xiàn)中心頻率ω0的調(diào)節(jié)。在時鐘頻率不變的情況下，α6=ω0T／Q不變，保證ω0／Q不變，從而保證ωb和GD不變。這正是所需要的結(jié)構(gòu)。然而在該設(shè)計的濾波器中，Q值并不低，可能導致α6=ω0T／Q會很小，接近于0．01，這又對電容散布帶來不好的影響。
    于是再對高Q結(jié)構(gòu)進行分析，看是否更適合本文中濾波器中心頻率編程的要求。為得到良好的動態(tài)范圍，選取α2=α5。

    這里需要說明的是，圖l所示的低Q值開關(guān)電容二階帶通濾波器用到了兩個運放，其輸出端口分別為V1(z)和Vout(z)。其中V1(z)對應低通濾波特性(如圖2下方曲線)，Vout(z)對應帶通濾波特性(如圖2上方曲線)，其增益峰值都在濾波器的中心頻率ω0處獲得。為了在濾波器內(nèi)部得到最大的動態(tài)范圍，需要在中心頻率ω0處V1(z)和Vout(z)相等，分別求得V1(z)和Vout(z)對應于Vin(z)的傳輸函數(shù)，并計算函數(shù)對應于中心頻率ω0處的取值。計算方法很簡單，將s=jω0分別代入傳輸函數(shù)V1(z)和Vout(z)即可。不難發(fā)現(xiàn)，在中心頻率ω0處，當且僅當α2=α5時，有V1(z)=Vout(z)。圖2和圖3分別通過仿真分別給出了α2=α5時與α2≠α5時兩個運放的輸出端的頻率幅值響應。仿真結(jié)果也很好驗證了低Q結(jié)構(gòu)更適合該濾波器設(shè)計要求。

3 運算放大器的設(shè)計
    運算放大器是開關(guān)電容濾波器中重要的元件。如果運算放大器的指標不合理，可能會影響到整個濾波器的性能。所以需要根據(jù)實際的濾波器的性能要求選擇適當?shù)倪\放指標，從而使整個系統(tǒng)滿足要求。該濾波器的設(shè)計指標如表1所示。

    對于給定指標的運算放大器，合理的結(jié)構(gòu)選擇是整個設(shè)計中最為關(guān)鍵的一點。在考慮指標實現(xiàn)的同時，還需要考慮到可實現(xiàn)性，同等情況下選擇更簡單、版圖更小的結(jié)構(gòu)。選擇一級運放。因為其負載電容就是補償電容，無需特意去增加補償電容，而且相對于二級運放(一般用米勒補償)，一級運放在電源抑制比等方面都有優(yōu)勢。

4 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)控制主要包括輸入儀表放大器控制、峰值檢測控制、開關(guān)電容濾波器控制、增益控制、濾波器通道控制、輸出反相控制、鍵盤控制、顯示控制等部分。這里主要介紹開關(guān)電容濾波器的控制。開關(guān)電容濾波器的控制包括時鐘發(fā)生模塊和編程參數(shù)控制模塊2部分。時鐘發(fā)生模塊用于生成的各個二階濾波器組件的時鐘信號，該可編程濾波器系統(tǒng)共需3路時鐘控制。濾波器編程參數(shù)控制模塊用于實現(xiàn)芯片內(nèi)部程序存儲器編程控制，包括濾波器編程參數(shù)讀取模塊和接口時序控制模塊。[!--empirenews.page--]
4．1 時鐘發(fā)生模塊
    時鐘信號發(fā)生器模塊由頻率跟蹤檢測、參數(shù)讀取、除法器、分頻器和時鐘使能控制等部分構(gòu)成。
    1)頻率跟蹤檢測  濾波器在跟蹤工作模式下，PLC需檢測信號的周期。對輸入脈沖周期進行計數(shù)，將一個輸入信號周期所占的時鐘周期數(shù)輸出給參數(shù)讀取模塊進行處理，程序較為簡單。
    2)參數(shù)讀取  根據(jù)濾波器類型、濾波器逼近函數(shù)和濾波器階數(shù)生成ROM的讀取地址。濾波器在典型和跟蹤工作模式下選擇對應的ROM讀取除法器的被除數(shù)或除數(shù)；手動工作模式下，被除數(shù)為常數(shù)，除數(shù)直接從按鍵的鍵值輸入緩沖區(qū)讀取。由于系統(tǒng)使用2片MAX260，需要4路時鐘，故要讀出4組被除數(shù)和除數(shù)。圖4為參數(shù)讀取模塊的仿真波形，圖中的z1_f，z2_f，z3_f，z4_f為4組被除數(shù)，d1_f，d2_f，d3_f，d4_為4組除數(shù)。

    3)除法器  由于PLC采用50 MHz的晶振，輸入的中心頻率(或截止頻率)最大為4 kHz，因此采用26位除法器。由于PLC的除法指令需要占用很大資源，本設(shè)計采用移位相減實現(xiàn)除法運算。除法器的狀態(tài)圖如圖5所示，除法器的算法如下：將被除法從高位開始移入移位寄存器的低位，移位寄存器每移位一次后與除數(shù)相減，結(jié)果大于零則商置1，將相減得到的結(jié)果后接還未移入移位寄存器的被除數(shù)再左移；結(jié)果小于零，則商置零，將原被減數(shù)后接還未移入移位寄存器的被除數(shù)再左移。如此移位相減直至被除數(shù)全部位數(shù)判斷完成，即移位相減26次以后，除法完成。

    4)分頻器模塊和時鐘使能  分頻器從除法器的結(jié)果作為分頻系數(shù)對PLC的時鐘頻率分頻，得到各個二階濾波器組件的時鐘信號。時鐘信號產(chǎn)生后并不馬上送入MAX260的時鐘輸入引腳，需檢測到MAX260的編程代碼下載完成后再使能時鐘輸出，下載過程中，時鐘信號保持高阻態(tài)，且對未使用的二階濾波器組件，其時鐘信號亦保持高阻態(tài)。
4．2 濾波器編程參數(shù)控制
    本系統(tǒng)中濾波器在典型和跟蹤工作模式下的逼近函數(shù)是確定的，故其編程代碼也是確定的，將編程代碼存入存儲器中，根據(jù)濾波器的各參數(shù)讀取編程代碼即可。手動模式下，編程參數(shù)由外部輸入。為方便下載，將4個二階濾波器節(jié)組件的編程代碼組成一個64位的編程控制字。每種逼近函數(shù)的各階低通、高通和帶通濾波器對應一個64位的編程控制字，故共有48個編程控制字。每個編程控制字的格式中前8位對應第一片MAX260的二階濾波器組件A，第16位至第32位對應第一片MAX260的二階濾波器組件B，后32位對應第二片MAX260。
    控制字的位數(shù)是固定的，與濾波器設(shè)定的階數(shù)無關(guān)，即與所使用的二階濾波器組件的個數(shù)無關(guān)，未使用的二階濾波器組件的對應控制字位置零，由于未使用的二階濾波器組件的時鐘信號保持高阻態(tài)，故對其進行寫操作后該組件仍不會工作，不會對總濾波器構(gòu)成影響。當使用第一片MAX260時，控制字的高32位全部置為零，此時控制字將使第二片MAX260進入低功耗的待機模式。

5 結(jié)論
    合理地選擇濾波器的類型和階數(shù)是濾波器設(shè)計的第一步，是由不同的應用需要，不同的信號與噪聲特點，不同的精度要求來決定。基于電力現(xiàn)通訊信號的特點，采用6階切比雪夫近似濾波器。通過對濾波器結(jié)構(gòu)的比較，采用低Q結(jié)構(gòu)，分析了開關(guān)電容電路和電容編程陣列，最終設(shè)計一個可編程開關(guān)電容6階帶通濾波器；在濾波器設(shè)計中，運放器選擇增益為70 dB，帶寬為10倍時鐘頻率，是合理的性能指標；通過對設(shè)計的開關(guān)電容濾波器進行仿真，結(jié)果基本與設(shè)計目標吻合。