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开关电容滤波器的“共振”现象及解决方案

导读: 在信号处理仪器的硬件系统中抗混滤波器是一重要的部件。

  在信号处理仪器的硬件系统中抗混滤波器是一重要的部件。根据信号分的的要 求,抗混滤波器的截止频率范围控制在10Hz~20kHz。为了提高信号的频率分辨率,要求抗混滤波器的带宽是可变的。比如要分析100Hz以内的信号特征,该低通滤波器的带宽最好选为100Hz。设计时,按1、2、4、5倍乘的原则,将20kHz频率范围分成14档不同带宽来处理。若采用一般的模拟低通滤波器必须电路繁复、换档不便、体积太大、不甚实用。用集成开关电容滤波器发展很快,生产公司不少,器件目前已系列化。它改变截止频率非常方便,只要程近不同的采样频率即可。因此,选择8阶开关电容椭圆低通滤波器MAX293作抗混滤波器用。理论上8阶低通滤波器适合于制作抗混滤波器,其截止频率后的衰减为160dB/10倍频,由文献(1)可知,如截止频率为1kHz,则到1.5kHz处,信号衰减了80dB[1],接近理想的低通滤波器,这是由椭圆滤波的特点所决定的。实测的滤特图(幅频特性)也有相似结果。但在试制过程中,发现该滤波器有“共振”现象,以下就此现象试作分析。

  1 开关电容滤波器的“共振”现象

  在用NW1232低频频率特性测试M AX293的幅频特性时,发现屏幕上除了预期的幅频特性之外,在采样频率及其整数倍的频率处具有窄带通形状的峰值,其高度达到甚至超过了前面幅频特性平坦部分的最大值。也就是说,当输入信号频率等于采样频率或为采样频率的整数倍时,出现了这一现象。此现象从未见文献报导过,暂时称之为“共振”现象,如在使用中对其不加处理,则将严重干扰有用信号。为了弄清原因,重复作了试验。采取自动扫描、手动扫描、变采样频率后扫描等方法,该现象始终如期而至。为了滤去该“高频干扰”,在MAX293电路之后,接上模拟低通滤波器。然而不管接二除低通还是四阶低通模拟滤波器,其输出仍然存在该“干扰”,而且幅值无任何减小。

  2 “共振”现象的解释

  用模拟低通滤波器做实验,当然不存在此现象。因此,原因必然在于具有采样环节的开关电容上。在开关电容滤波器中,当开关频率(即采样频率、时钟频率)大大于信号频率时(文献(2)指出,一般要大于20倍),开关电容等效于模拟阻容滤波器中的电阻,可推导出,其等效电阻R=1/(C·fc),其中C为电容,fc为开关滤波[3]。通过分析得到,当信号频率和采频率同频时,就会出现如图1所示的现象。

 

  图中输入信号vi为正弦波(方波也一样),1、2……为同频采样信号。在相位适当的时候(如图1所示),开关电容滤波器的电容上将出现输入信号的峰值。相位的不同,采样到的值也不同,但各采样点所采样的值是相同的。因此在采样电容上产生一个直流信号,使流波器输出一个直流电平。当观察幅频特性时,在输入信号与采样信号同频且相位合适时,就出现了上述所谓的“共振”现象。而且其后的低通模拟滤波器对此无能为力。同理,当信号频率为采样频率的整数倍时,显然也会出现相同的现象。

 

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