十阶低通滤波器LTC1569的性能特点和应用设计分析

任勇峰 发表于 2020-08-10 14:43:24 收藏 已收藏
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十阶低通滤波器LTC1569的性能特点和应用设计分析

任勇峰 发表于 2020-08-10 14:43:24
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1 引言

信号调理电路是数据采集器中不可缺少的一部分。随着数据采集技术不断发展,对信号调理电路的要求也越来越高,其电路设计的优化程度直接关系到数据采集器的精度和稳定性。而滤波电路则是信号调理模块的关键所在。普通有源滤波器是由运算放大器和电阻、电容组成,但参数调整困难,而且应用于频率较高的场合,元件周围的分布电容将严重影响滤波器的特性,使其偏离预定的工作状态。普通有源滤波器还因为稳定性较差,较难实现窄带宽的设计,不易获得高Q值,难以满足系统要求。本文设计的传感器信号调理电路采用LTC1569型通用滤波器,能够高精度滤波调理传感器输出信号,从而满足数据采集器高精度和高稳定性的要求,与普通的有源滤波器相比。LTCl569组成的滤波器具有外接元件少,结构简单,参数调整方便和稳定性较好等优点。

2 LTC1569简介

LTC1569是Linear公司生产的十阶低通滤波器,截止频率可调,最大截止频率可达300 kHz(5 V供电)。它有很低的失调电流、漂移电流和偏置电流,并具有很宽的动态范围。工作电压为3 V.5 V或者±5 V。

2.1 LTC1569的引脚功能

LTC1569采用8引脚SO封装,各个引脚的功能如下:

IN+/IN-(引脚1,2):信号输入端。当信号由引脚1输入时,输出直流增益为1;而由引脚2输入时,输出直流增益为-1。

GND(引脚3):滤波器的参考电压,当单5 V电源供电时,其电压为2 V;当3 V电源供电时,其电压为1.11 V。V-/V+(引脚4,7):滤波器电源正负输入端。通常,在引脚4和引脚7之间接一只1μF的瓷片电容作为旁路电容以消除干扰,并且该旁路电容应尽可能靠近滤波器放置。如果双电源供电,则引脚3接地,引脚4与引脚3以及引脚7与引脚3之间分别接一只0.1μF的旁路电容。

DIV/CLK(引脚5):时钟信号输入端。该滤波器既可使用内部时钟,也可使用外部时钟。使用内部时钟时,通过调节一只外接电阻改变截止频率;使用外部时钟时。任何TTL和CMOS占空比为50%的方波时钟信号源都可作为时钟信号输入。时钟信号源的供电电源不能作为滤波器的供电电源,滤波器的模拟地必须与时钟信号源的模拟地连接在一起。Rx(引脚6):在该引脚和引脚7(V+)之间接一只外接电阻Rx用以启动内部时钟。该电阻值决定滤波器的截止频率。当该引脚接到引脚4(V-)时,内部时钟禁止。OUT(引脚8):信号输出端。

2.2 LTC1569的工作模式

LTC1569需要依靠一个时钟来驱动电路,可采用外部时钟或者内部时钟两种方式。当使用外部时钟时只需将引脚6(Rx)与引脚4(V-)短接。当采用内部时钟时,需外接一只电阻REXT,其电路接法如图1所示,电阻值与截止频率,fCUTOFF的关系是:

十阶低通滤波器LTC1569的性能特点和应用设计分析

当DIV/CLK引脚短接到V-引脚时。内部分频设置为1:1:当DIV/CLK引脚通过一只100 pF的电容接V-引脚时,内部分频设置为1:4;当DIV/CLK引脚短接到V+引脚时,内部分频设置为1:16。

3 利用LTC1569实现抗混叠滤波

3.1 低通滤波电路

本设计要求截止频率为2 kHz,根据外接电阻和截止频率的关系得到外接电阻REXT=40 kΩ,将DIV/CLK引脚短接到V+引脚。滤波电路连接如图2所示。

该电路采用单电源供电模式,因此V+引脚接+5 V电源,C11为电源滤波电容,以确保输入电压质量。R9和R12为分压电阻。通过分压得到GND引脚的参考电压为2 V。IN+引脚为信号输入引脚,OUT引脚为电路输出引脚,通过该滤波电路即可输出性能良好的波形。R10设置滤波器的截止频率,本设计要求截止频率为2 kHz,经计算得到R10=40 kΩ,实验中测量了不同频率下LTC1569的输入和输出幅值,如表1所示。

由表1可以看出,当输入频率f=100 Hz、f截止=200 Hz时输出信号开始衰减,当f=f截止=2 kHz时,输出信号的幅值为输入信号的0.707倍,符合低通滤波电路的幅频特性,保证了滤波电路的截止频率为2 kHz。

另外,信号经LTC1569输出后需加入电压跟随器。因为滤波器的输出阻抗比较高,如果后级的输入阻抗比较小,那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中,这就需电压跟随器进行缓冲,降低输出阻抗。

3.2 设计中注意事项

应用LTC1569设计低通滤波器时,应注意以下几个问题:

(1)该设计中,LTC1569采用内部时钟工作方式,其电路结构简单,截止频率由外接电阻决定,因此要选取精确度至少为1%的精密电阻,调试时需要按计算值做适当调整,以保证截止频率的精确。另外当采用单+5 V电源供电时,该外接电阻的阻值范围应在3.8~40 kΩ。

(2)采用单+5 V电源供电,因此V-引脚接地,GND引脚通过分压电阻分压获得一个2 V的参考电压。GND引脚与V-引脚需要接一只1μF的电容。

(3)信号经低通滤波器后输出波形相位通常与原来的信号不一致,输入信号与输出信号之问容易产生相移,为了消除相移而又不影响输出信号的幅值。可在滤波输出后级加等幅的移相电路。

4 实验结果分析

根据以上分析,利用LTC1569搭建滤波电路。根据输出要求,截止频率设定为2 kHz,外接电阻阻值为40 kΩ,采用单5 V电源供电,上电后测量滤波电路的截止频率,GND引脚电压为2 V,符合LTC1569的工作要求。另外,在实验中还使用M AX291滤波器设计滤波电路,用以对比2种滤波器件的滤波效果。MAX291是八阶开关电容低通滤波器,其使用方法与LTC1569基本相同,工作电压为+5 V或者±5 V,可以采用外部时钟和内部时钟两种方式,若使用内部时钟,只需外接一只电容器。

现采用某传感器信号作为输入信号,经设计的滤波电路后由数据采集器进行采集,得到实验结果:图3a为未使用LTC1569进行滤波采集到的信号波形,图 3b为使用LTC1569进行滤波采集到的信号波形,图3c为使用MAX291进行滤波采集到的信号波形。从图3中可以看出。使用LTC1569进行滤波后的波形比较平滑,而使用MAX291进行滤波后信号则出现严重十扰。实验证明LTC1569滤波电路对信号具有很好的滤波效果,高频噪声通过该滤波电路后可以完全滤除。但输出波形与输入波形存在相位偏移,这可以通过后置等幅相移电路进行修正。

5 结论

LTC1569低通滤波器可广泛应用于精度要求较高的系统中,与传统有源滤波器相比,LTC1569实现抗混叠滤波器具有巨大的优势,由于它可通过一只外接电阻来设置截止频率,使用起来非常方便灵活。由此可见,LTC1569在信号调理电路中具有广泛的应用前景。

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