滤波器的使用与设计

简介：在电子系统里滤波器是很见的组成部分，可以通过R,L,C的搭配组成各种滤波电路。一阶RC滤波器的截止频率等于1/2*pi*RC.，R,C,L串联可以搭建二阶带通滤波器等等。

在电子系统里滤波器是很见的组成部分，可以通过R,L,C的搭配组成各种滤波电路。一阶RC滤波器的截止频率等于1/2*pi*RC.，R,C,L串联可以搭建二阶带通滤波器等等。

在电源处理时经常会用到滤波器。为了保证输入到芯片的电源电压的稳定，通常的做法是在VCC和地之间跨接一个大电容和一个小电容并联。也可以采用RC滤波的方式来实现电源的稳定，最好不要在电路板电源的根部采用RC滤波，而是在需要电源滤波的芯片处采用RC滤波，因为电阻的存在必然导致分压，如果在电源根部RC滤波电路板整个板子的电流大的话会在R上形成很大的压降，导致输出电压变小，而在芯片根处采用RC滤波，一般芯片的工作电流在几十mA，这时R的选择余地会比较大，而且滤波效果较好。LC滤波我不经常使用，不是很了解，不知道大家的理解如何。

最近使用了美信的可编程滤波器和引脚可配置滤波器，它们采用都是开关电容滤波器。

这幅图说的比较清楚，实际上就是用开关电容(SC)来取代电阻器，开关K置于左边时,信号电压源u1向电容器C1充电;K倒向右边时，电容器C1向电压源u2放电。当开关以高于信号的频率fc工作时,使C1在u1和u2的两个电压节点之间交替换接,那么C1在u1、u2之间传递的电荷可形成平均电流I=fC1(u1-u2)，相当于图1a的u1和u2之间接入了一个等效电阻,其值为1/fC1。

推导是这样的：在信号源向电容充电时Q=C1*U,然后这个电流供给运放使用，因此平均电流为I=C1*U/T,如果T足够短，可以近似认为这个过程是连续的，因而可以在两节点间定义一个等效电路Req=U/I=T/C1=1/f*C1。这个电路的等效时间常数就是τ=RC2=C2/f*C1.

我开始使用的是MAX274，这款开关电容滤波器是通过改变引脚的电阻值来改变中心频率f0，增益G，带宽Q。它不需要外接时钟信号来提供开关频率用，估计是采用了内部RC振荡电路。设计MAX274是美信官网上有个辅助软件，把所需的参数输进去，会自动计算出各个电阻的阻值，实践发现即使自己搭电路的阻值取得跟软件计算出的阻值有一点差别，中心频率等差别也不会很大。

后来觉得274改变参数太麻烦，采用了另外一款开关电容滤波器MAX262，这是个引脚可编程滤波器，使用起来非常方便，需要外接时钟信号提供f。这样的好处是开关频率非常稳，使得中心频率也能够做到跟设定值1%的误差。使用MAX262也有个辅助软件，但我觉得这个软件计算的MAX262的参数值是错的，还是以数据手册为准!使用MAX262也很方便，就是往寄存器里写入几个值(应该是ROM型，掉电不丢失)，通过给定的时钟频率，然后除以想要的中心频率，得出的N值写出寄存器就可以了，N通过查表可以得到，这样可以设定F0.同时可以设定Q，Q对应的也有N值，写到对应的寄存器里。Q值一方面是带宽，另一方面也等于放大倍数。只要时序正确，写入数据也不困难。

在使用中也遇到了一些问题：这就是像这些滤波器的增益千万不要调的太大，比如1000倍，因为这时候当输入引脚有噪声存在时，噪声中肯定有你设定的中心频率F0的分量，由于滤波器的优异性能，它会把噪声里的F0分量给放大出来到输出端，导致有效信号反而无法检测，这也是使用过程中应该留意的!

网友1评论：开关滤波电容替代电阻还是有些问题吧!首先切换速度足够快也就是切换频率足够高，能够使得滤波频率范围足够广，那么就需要信号源是理想信号源，才能以足够快的速度对开关切换电容进行充电。这是开关切换电容工作频率范围的基础!然而仅仅如此还不足够，电容的放电速度也是限制工作频率范围的限制之一啊!

作者回复：恩，谢谢回复。你说的很对。开关电容滤波器实际就是利用参考信号通过电容对被测信号进行采样来实现的。fclk/f0当f0太大的时候已经不能看成是连续的充放电了，芯片内部的放电时间常数τ应该是经过精心设计的，放电时间常数小于开关频率。我觉得在符合芯片数据手册要求的范围内开关电容滤波器的性能要强于自己搭建的RC滤波电路，自己大的带宽太宽，而且RC离散性太大。不过如果对信号不是选频放大到也无所谓。

网友2评论：不错，但是需要根据信号频率来选择切换频率。切换频率能够做到多高，要根据芯片的特性确定。