|
1 引言 信號調理電路是數據采集器中不可缺少的一部分。隨著數據采集技術不斷發展，對信號調理電路的要求也越來越高，其電路設計的優化程度直接關系到數據采集器的精度和穩定性。而濾波電路則是信號調理模塊的關鍵所在。普通有源濾波器是由運算放大器和電阻、電容組成，但參數調整困難，而且應用于頻率較高的場合，元件周圍的分布電容將嚴重影響濾波器的特性，使其偏離預定的工作狀態。普通有源濾波器還因為穩定性較差，較難實現窄帶寬的設計，不易獲得高Q值，難以滿足系統要求。本文設計的傳感器信號調理電路采用LTC1569型通用濾波器，能夠高精度濾波調理傳感器輸出信號，從而滿足數據采集器高精度和高穩定性的要求，與普通的有源濾波器相比。LTCl569組成的濾波器具有外接元件少，結構簡單，參數調整方便和穩定性較好等優點。 2 LTC1569簡介 LTC1569是Linear公司生產的十階低通濾波器，截止頻率可調，最大截止頻率可達300 kHz(5 V供電)。它有很低的失調電流、漂移電流和偏置電流，并具有很寬的動態范圍。工作電壓為3 V．5 V或者±5 V。 2．1 LTC1569的引腳功能 LTC1569采用8引腳SO封裝，各個引腳的功能如下： IN+/IN-(引腳1，2)：信號輸入端。當信號由引腳1輸入時，輸出直流增益為1；而由引腳2輸入時，輸出直流增益為-1。 GND(引腳3)：濾波器的參考電壓，當單5 V電源供電時，其電壓為2 V；當3 V電源供電時，其電壓為1．11 V。V-/V+(引腳4，7)：濾波器電源正負輸入端。通常，在引腳4和引腳7之間接一只1μF的瓷片電容作為旁路電容以消除干擾，并且該旁路電容應盡可能靠近濾波器放置。如果雙電源供電，則引腳3接地，引腳4與引腳3以及引腳7與引腳3之間分別接一只0．1μF的旁路電容。 DIV／CLK(引腳5)：時鐘信號輸入端。該濾波器既可使用內部時鐘，也可使用外部時鐘。使用內部時鐘時，通過調節一只外接電阻改變截止頻率；使用外部時鐘時。任何TTL和CMOS占空比為50％的方波時鐘信號源都可作為時鐘信號輸入。時鐘信號源的供電電源不能作為濾波器的供電電源，濾波器的模擬地必須與時鐘信號源的模擬地連接在一起。Rx(引腳6)：在該引腳和引腳7(V+)之間接一只外接電阻Rx用以啟動內部時鐘。該電阻值決定濾波器的截止頻率。當該引腳接到引腳4(V-)時，內部時鐘禁止。OUT(引腳8)：信號輸出端。 2．2 LTC1569的工作模式 LTC1569需要依靠一個時鐘來驅動電路，可采用外部時鐘或者內部時鐘兩種方式。當使用外部時鐘時只需將引腳6(Rx)與引腳4(V-)短接。當采用內部時鐘時，需外接一只電阻REXT，其電路接法如圖1所示，電阻值與截止頻率，fCUTOFF的關系是： 
當DIV／CLK引腳短接到V-引腳時。內部分頻設置為1：1：當DIV／CLK引腳通過一只100 pF的電容接V-引腳時，內部分頻設置為1：4；當DIV／CLK引腳短接到V+引腳時，內部分頻設置為1：16。 3 利用LTC1569實現抗混疊濾波 3．1 低通濾波電路 本設計要求截止頻率為2 kHz，根據外接電阻和截止頻率的關系得到外接電阻REXT=40 kΩ，將DIV／CLK引腳短接到V+引腳。濾波電路連接如圖2所示。
該電路采用單電源供電模式，因此V+引腳接+5 V電源，C11為電源濾波電容，以確保輸入電壓質量。R9和R12為分壓電阻。通過分壓得到GND引腳的參考電壓為2 V。IN+引腳為信號輸入引腳，OUT引腳為電路輸出引腳，通過該濾波電路即可輸出性能良好的波形。R10設置濾波器的截止頻率，本設計要求截止頻率為2 kHz，經計算得到R10=40 kΩ，實驗中測量了不同頻率下LTC1569的輸入和輸出幅值，如表1所示。
由表1可以看出，當輸入頻率f=100 Hz、f截止=200 Hz時輸出信號開始衰減，當f=f截止=2 kHz時，輸出信號的幅值為輸入信號的0．707倍，符合低通濾波電路的幅頻特性，保證了濾波電路的截止頻率為2 kHz。 另外，信號經LTC1569輸出后需加入電壓跟隨器。因為濾波器的輸出阻抗比較高，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當的部分損耗在前級的輸出電阻中，這就需電壓跟隨器進行緩沖，降低輸出阻抗。 3．2 設計中注意事項 應用LTC1569設計低通濾波器時，應注意以下幾個問題： (1)該設計中，LTC1569采用內部時鐘工作方式，其電路結構簡單，截止頻率由外接電阻決定，因此要選取精確度至少為1％的精密電阻，調試時需要按計算值做適當調整，以保證截止頻率的精確。另外當采用單+5 V電源供電時，該外接電阻的阻值范圍應在3．8~40 kΩ。 (2)采用單+5 V電源供電，因此V-引腳接地，GND引腳通過分壓電阻分壓獲得一個2 V的參考電壓。GND引腳與V-引腳需要接一只1μF的電容。 (3)信號經低通濾波器后輸出波形相位通常與原來的信號不一致，輸入信號與輸出信號之問容易產生相移，為了消除相移而又不影響輸出信號的幅值�？稍跒V波輸出后級加等幅的移相電路。 4 實驗結果分析 根據以上分析，利用LTC1569搭建濾波電路。根據輸出要求，截止頻率設定為2 kHz，外接電阻阻值為40 kΩ，采用單5 V電源供電，上電后測量濾波電路的截止頻率，GND引腳電壓為2 V，符合LTC1569的工作要求。另外，在實驗中還使用M AX291濾波器設計濾波電路，用以對比2種濾波器件的濾波效果。MAX291是八階開關電容低通濾波器，其使用方法與LTC1569基本相同，工作電壓為+5 V或者±5 V，可以采用外部時鐘和內部時鐘兩種方式，若使用內部時鐘，只需外接一只電容器。 現采用某傳感器信號作為輸入信號，經設計的濾波電路后由數據采集器進行采集，得到實驗結果：圖3a為未使用LTC1569進行濾波采集到的信號波形，圖 3b為使用LTC1569進行濾波采集到的信號波形，圖3c為使用MAX291進行濾波采集到的信號波形。從圖3中可以看出。使用LTC1569進行濾波后的波形比較平滑，而使用MAX291進行濾波后信號則出現嚴重十擾。實驗證明LTC1569濾波電路對信號具有很好的濾波效果，高頻噪聲通過該濾波電路后可以完全濾除。但輸出波形與輸入波形存在相位偏移，這可以通過后置等幅相移電路進行修正。
5 結論 LTC1569低通濾波器可廣泛應用于精度要求較高的系統中，與傳統有源濾波器相比，LTC1569實現抗混疊濾波器具有巨大的優勢，由于它可通過一只外接電阻來設置截止頻率，使用起來非常方便靈活。由此可見，LTC1569在信號調理電路中具有廣泛的應用前景。 |
