《電子技術(shù)應(yīng)用》
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8階貝塞爾低通濾波器精確設(shè)計(jì)及應(yīng)用
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第7期
苗匯靜,譚博學(xué),徐秀美
山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博255049
摘要: 為了進(jìn)一步改善濾波器的頻率響應(yīng)和時(shí)延特性,在數(shù)字信號和音頻信號傳輸中,整個(gè)通帶內(nèi)具有恒定的增益和群延時(shí),使通帶內(nèi)被過濾的信號波形不失真,提出了一種8階貝塞爾低通濾波器精確設(shè)計(jì)的方法。硬件電路主要由專用濾波器芯片MAX275、單片機(jī)和數(shù)字電位器組成。濾波功能由MAX275及其外圍16個(gè)電阻完成。16個(gè)電阻的精確參數(shù)值,通過單片機(jī)控制數(shù)字電位器得到。軟件部分采用美國MAXIM公司的專用濾波器設(shè)計(jì)軟件。通過仿真分析、試驗(yàn)測試及實(shí)際應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)通帶內(nèi)具有恒定的增益和群延時(shí)。該濾波器結(jié)構(gòu)簡單,易于設(shè)計(jì),具有推廣價(jià)值。
中圖分類號: TP368.1
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)07-0068-04
Precise design and application of 8-order Bessel low-pass filter
Miao Huijing,Tan Boxue,Xu Xiumei
School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China
Abstract: A precise design method of 8-order Bessel low-pass filter was proposed in this paper to further improve the filter's frequency response and delay characteristics and avoid the signal waveform distortion when the pass band has constant gain and group delay during the digital signal and audio signal transmission. The hardware circuit is mainly composed by special filter chip MAX275, digital potentiometers and micro control unit(MCU). Filtering is conducted by MAX275 and 16 resistors outside. Accurate values of the 16 resistors are obtained through potentiometer control by MCU. The software section adopts special filter design software of MAXIM Company. A constant gain and group delay within the pass band can be achieved by simulation analysis, experimental testing and practical application. The filter with a simple structure is easy to design and promote.
Key words : Bessel filter;MAX275;filter software;digital potentiometer

    濾波器是一種能使有用信號順利通過而同時(shí)對無用信號進(jìn)行抑制或使其衰減的電子裝置。隨著電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展,濾波技術(shù)在通信、測量、信號處理、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在這些領(lǐng)域的電子部件中,使用較多、技術(shù)較復(fù)雜、設(shè)計(jì)工作量較大的是濾波器[1-2]。因傳統(tǒng)濾波電路結(jié)構(gòu)和分布參數(shù)的限制,存在很多缺點(diǎn),很難設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的濾波器[3]。而巴特沃茲、切比雪夫、橢圓函數(shù)濾波器的群延時(shí)特性在通帶內(nèi)呈凹形,在使用中必須要進(jìn)行群延時(shí)均衡,需再設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò),增加了電路的復(fù)雜程度[4]。為此本文提出了一種貝塞爾濾波器精確設(shè)計(jì)方法,以8階低通濾波器為例,介紹了利用Bessel函數(shù)和美國MAXIM公司濾波器設(shè)計(jì)軟件,精確設(shè)計(jì)濾波器的方法。該方法借助于Multisim仿真軟件及濾波器仿真軟件,對濾波器的頻率響應(yīng)和群延時(shí)進(jìn)行了仿真分析,并實(shí)際制作了貝塞爾濾波器。

1 高階貝塞爾濾波器的傳輸函數(shù)和時(shí)延函數(shù)
    貝塞爾濾波器是具有最大平坦的群延時(shí)的線性濾波器,在整個(gè)通帶內(nèi)具有恒定的群延時(shí),所以在通帶上保持了被過濾的信號波形。Bessel傳輸函數(shù)以得到線性相位(即最平坦延時(shí))為目標(biāo),其階躍響應(yīng)沒有過沖或振鈴,沖擊響應(yīng)沒有振蕩特性,但其頻率響應(yīng)比同階的巴特沃茲濾波器和切比雪夫?yàn)V波器要差,所以為了得到較好的頻率響應(yīng),必須使用高階貝塞爾濾波器。以下簡單介紹高階貝塞爾濾波器的傳輸函數(shù)和時(shí)延函數(shù)。
   

MAX275、單片機(jī)STC89C58、數(shù)字電位器、鍵盤和顯示等部分組成。MAX275是有源濾波器,是由兩個(gè)2階濾波節(jié)、一個(gè)MAX275芯片以及由8個(gè)外接電阻構(gòu)成的4階Bessel濾波器,用兩個(gè)級聯(lián)組成8階Bessel濾波器。其中16個(gè)電阻是通過單片機(jī)控制數(shù)字電位器得到精確參數(shù)值,用鍵盤設(shè)置濾波器各種參數(shù),如截止頻率、過渡帶頻率范圍、通帶增益和衰減特性等,用LCD顯示相關(guān)信息。
2.2 濾波器專用芯片MAX275簡介
    MAX275是美國MAXIM公司生產(chǎn)的集成有源濾波器。其濾波類型有Buttreworth、Bessel、Chebyshev等。MAX275可完成以上各種2階低通和2階帶通的濾波功能,也可級聯(lián)實(shí)現(xiàn)4階有源濾波。若需8階濾波器時(shí),可用兩個(gè)MAX275級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。其中心頻率/截止頻率范圍為100 kHz~300 kHz,在工作溫度范圍內(nèi)的精度為±0.9%,輸出電壓擺幅為±4.5 V(RL=5 kΩ),電源電壓范圍為-2.37 V~+5.50 V,總諧波失真的典型值為-86 dB[5]。MAX275不需外接電容,只需外接電阻,每個(gè)2階節(jié)的中心頻率F0、Q值及放大倍數(shù)均由4個(gè)外接電阻確定[6]。4個(gè)外接電阻的精確參數(shù)值,可由MAX275濾波器軟件設(shè)計(jì)得到。
2.3 用MAX275軟件設(shè)計(jì)濾波器的方法及步驟
    MAX275軟件是美國MAXIM公司開發(fā)的專用濾波器設(shè)計(jì)軟件。設(shè)計(jì)方法及步驟如下:
    (1)打開MAX275濾波器設(shè)計(jì)軟件
    打開MAX275濾波器設(shè)計(jì)軟件包,雙擊<FILTER.EXE>,進(jìn)入<MAXIM Integrated Products Filter Design Software>。其主菜單:
    &middot; Determine Poles/Qs/Zeros base on filter requirements
    &middot; Implement filter in hardware(MAX275)
    &middot; Configure printer
    &middot; Quit
    (2)選擇濾波器類型和設(shè)置相關(guān)參數(shù)值
    從主菜單界面,進(jìn)入<Determine Poles/Qs/Zeros base on filter requirements>,根據(jù)提示及要求,設(shè)置濾波器類型和相關(guān)參數(shù)值。濾波器類型可從提示中選取,如:從Lowpass、Bandpass和Butterworth、Bessel、Chebyshev中,選擇Lowpass、 Bessel型。設(shè)置濾波器參數(shù),如:Order(階數(shù))、Amax(-3 dB增益)、Amin(最小衰減增益)、Fc(-3 dB截止頻率)、Fs(最大衰減頻率)等。設(shè)置好后,按<Esc>退出,返回主菜單界面。
    (3)軟件仿真和確定硬件電路參數(shù)
    ①從主菜單界面,進(jìn)入<Implement filter in hardware(MAX275)>。
    ②根據(jù)步驟(2)中選擇的濾波器類型和設(shè)置的相關(guān)參數(shù)值,在提示菜單中,輸入相關(guān)的參數(shù)值,如Bessel、Order、Fo、Q、LPo、Gain等。
    ③在提示菜單中,按<[V]iew graph of response>,通過反復(fù)調(diào)試、仿真,確定最優(yōu)幅頻特性曲線、相頻特性曲線、時(shí)延曲線。
    ④在提示菜單中,按<[R]esistor selection>,通過反復(fù)調(diào)試、仿真,確定最優(yōu)硬件電路參數(shù)值,記錄R1、R2、R3、R4的數(shù)值。
    ⑤根據(jù)需要,在提示菜單中,按相應(yīng)的提示內(nèi)容進(jìn)行調(diào)試仿真。
    ⑥最后,按<Esc>退出。
    
2.4 8階Bessel低通濾波器電路原理
    8階Bessel低通濾波器電路原理圖如圖1所示。在圖1中,一個(gè)MAX275芯片和8個(gè)電阻構(gòu)成一個(gè)4階Bessel低通濾波器,兩級級聯(lián)得到一個(gè)8階Bessel低通濾波器。16個(gè)電阻的參數(shù)值由MAX275濾波器軟件設(shè)計(jì)得到[7]。在實(shí)際硬件電路中,通過單片機(jī)STC89C52控制8個(gè)數(shù)字電位器得到精確電阻值。而實(shí)際購買的電阻電位器的參數(shù)值,很難調(diào)到精確數(shù)值。因?yàn)?6個(gè)電阻的參數(shù)值精確與否,直接影響到濾波器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

 

 

3 仿真分析
    用MAX275軟件和Multisim軟件進(jìn)行仿真,例如設(shè)計(jì)一個(gè)8階Bessel低通濾波器,用MAX275軟件設(shè)置濾波器參數(shù),截止頻率為Fc=235 kHz,F(xiàn)s=1 MHz,Amax=-3 dB。不需計(jì)算,通過仿真調(diào)試,由濾波器軟件得到Amin=-56 dB,Q=0.506,F(xiàn)=418.638 kHz,LPO=-2.304 dB,R1=545.998 &Omega;,R2=6.679 k&Omega;,R3=771.242 &Omega;,R4=1.679 k&Omega;等參數(shù)值。MAX275軟件仿真的頻率響應(yīng)如圖2所示,群延時(shí)特性曲線如圖3所示,用Multisim軟件仿真的頻率響應(yīng)如圖4所示。

    通過圖2、圖3、圖4的仿真和試驗(yàn)分析可以看到,8階Bessel低通濾波器的幅頻特性、相頻特性、群延時(shí)特性均很好,阻帶衰減大,是具有最大平坦的群延時(shí)的線性濾波器,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都滿足要求。
4 應(yīng)用
    (1)用于數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)
    在數(shù)字信號傳輸性能分析儀器中,由數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)字信號,要求用低通濾波器處理后輸出。如2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽的E題(簡易數(shù)字信號傳輸性能分析儀),要求數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生的m序列信號和曼徹斯特編碼,通過100 kHz和200 kHz低通濾波器處理,采用了該設(shè)計(jì)中的基于MAX275的貝塞爾低通濾波器,最后輸出的眼幅圖,經(jīng)測試非常標(biāo)準(zhǔn),誤差很小。
    (2)用于音頻信號傳輸系統(tǒng)
    在音頻設(shè)備中,要求在不損害頻帶內(nèi)多信號的相位關(guān)系前提下,消除帶外噪聲。如音箱處理器、功放、音頻均衡器中均可應(yīng)用。
    本文以8階Bessel低通濾波器為例,詳細(xì)介紹了Bessel濾波器精確設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過仿真分析研究和實(shí)際應(yīng)用,該濾波器性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計(jì)。與其他設(shè)計(jì)方法比較,克服了濾波器元件多、設(shè)計(jì)工作量大、調(diào)試繁瑣的缺點(diǎn)。該方法還可用于設(shè)計(jì)帶通Bessel濾波器。
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