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王致华的专栏

   在滤波器设计及选型中,用户给出的信息往往过于简单,以至于往往难以给出有效的技术支持。请看下面两个例子:


    例1:

    哦,你得把相关设计数据给我呀,我有二套电路,工作频率分别在180HZ 和820HZ 窄带滤波器(希望单一频率通过),如果设计为4价滤波器,每个频率是否要买2个F1443B?


    例2:

    你好:

    有个滤波器选型的问题。

    我希望有这样一个仪用带通滤波器:

    输入为方波,中心频率2k Hz,Q>=8,增益=1。这个滤波器主要滤除1k、4k、6k谐波。

    我该选用那种方案,成本是多少?如何得到样品?谢谢


    这两个设计要求都难以满足滤波器详细设计的信息要求。因此把所有问题尽可能考虑进去并整理成文字和表格供用户参考使用是很有益的。概括起来,设计一个滤波器需要以下方面的考虑:


    1. 滤波器工作的环境温度:I级:-40-85℃,C级:0-70℃。

    2. 用户产品类别:如民用产品、工业用产品、医疗设备用仪表仪表与精密测量用。

    1)民用产品一般可用C级、低成本滤波器,元器件采用普通运放,电阻温度系数比工业级的低,调试工艺精度比工业级的低。

    2)工业级用产品必须用I级器件,滤波器所有元器件都要达到工业级温度范围,主要是运放必须达到工业级或更高温度级别。此外级运放的大多数性能指标一般要优于普通运放。因此工业级滤波器的性能如噪声、失调等都优于普通滤波器。

       仪器与测量产品一般选择工业级、低噪声、精密滤波器。

    3)医疗设备:一般在医院室内,在空调下工作,一般在25℃左右温度下工作,多数情况下可以使用C级滤波器。
如果涉及精密测量,这样的医疗产品属于仪器仪表类。

    4)仪器仪表与精密测量类产品中,滤波器一般选择工业级、精密滤波器。有些放大器在PDF中声明精度能满足16位AD转器的要求,多数放大器可能只能达到12位精度。

    3. 用户环境噪声性质:

    1)点频噪声:如50Hz、100Hz、150Hz、1KHz、1KHz、100KHz、1MHz、其他点频噪声,这是一种高强度噪声,如果在信号频带之内,一般选择陷波器进行噪声滤波,如果在信号带外,可能采用高通、低通、带通滤波更有效和可靠。

    2)宽带噪声:噪声分布在一段频带内或整个信号频带内,一般认为是均匀分布,可采用高通、低通、带通滤波。

    4. 滤波器类型:LP、HP、BP、NOTCH。

    5. 频率特性类型:Butterworth、Chebyshev、Bessel、其他类型

    6. 滤波器的截止频率:

    Fcp---高通、或低通3dB截止频率

    fcp1,fcp2---带通或带阻滤波器3dB截止频率

    fo---窄带带通、带阻中心频率

    7. 滤波器的带宽B或Q值:

    对于窄带带通、及陷波器: B=Q*fo

    对于宽带带通、带阻滤波器:B=fcp2-fcp1

    8. 信号带宽:决定构成滤波器的放大器是采用普通低频放大器还是采用高频放大器、视频放大器。一般说,普通低频放大器(3-4MHz以内)能满足200KHz带宽的滤波器。超过200KHz以上应采用中频(20-50MHz)或高频(大于50MHz)放大器。例如,对于一个1MHz带宽并且在50Hz进行陷波处理的信号,普通放大器很难达到要求,某些类型的滤波电路通过一阶RC频率校正也许可以达到,但是也难以达到在1MHz频带内频率特性平坦的butterworth滤波器,校正后的频带一般是Chebyshev型的。

    1)低通滤波器:滤波后的信号带宽取决于滤波器的截止频率,对放大器的带宽要求相对较低。

    2)带通滤波器:滤波后的信号带宽很窄,对放大器的带宽要求最低。

    3)高通滤波器:理想的高通滤波器是不限制信号带宽的,所以需要附加或后续的的低通滤波器限制信号带宽,滤波器的放大器的截止频率至少不低于附加低通滤波器的截止频率,应当远远高于信号截止频率,一般在10倍到100倍以上为好,所以对于宽带信号而言,高通滤波器的噪声密度应当尽可能低。

    4)陷波器:理想的陷波器是不限制信号带宽的,所以需要附加或后续的的低通滤波器限制信号带宽,陷波器的放大器的截止频率至少不低于附加低通滤波器的截止频率,应当远远高于信号截止频率,一般在10倍到100倍以上为好,所以对于宽带信号而言,陷波器的噪声密度应当尽可能低。

    9. 固有噪声:滤波器也要产生噪声,由构成滤波器的电阻电容、放大器的噪声决定。噪声系数能反应滤波的的噪声。由于电阻热噪声随温度变化,所以滤波器的固有噪声也随温度变化,噪声系数也随着温度变化。固有噪声对轨耿器动态范围有影响。

    10. 电源要求:单电源、双电源,5V,12V,15V、30V。

    1)普通滤波器:一般双电源可达+/-15V,单电源可达30V。

    2)特殊滤波器:精密滤波器、低噪声滤波器、宽频带滤波器、低功耗滤波器、Rail to Rail滤波器等,一般双电源可达+/-6~8V,单电源可达12~16V。低电压滤波器电压可能不超过双电源+/-3V,单电源6V

    电源电压对动态范围有较大影响。Rail-to-Rail运放构成的滤波器的动态范围最大。

    11. 动态范围:动态范围是滤波器能承受的最大输入电平与滤波器能提供可接受的信号质量的最小输入电平之间的比,或者说是器件最大不失真电平和器件固有噪声电平的差。根据这个定义,动态范围与电源电压和频带宽度有关系,频带越宽,动态范围越小,电源电压越高,动态范围越大。滤波器的动态范围可以理解为滤波器在特定工作点(电源电压、带宽)的固有最大信噪比。一般滤波器的动态范围要大于AD转换器的动态范围。

    12. 输入信噪比SNi:滤波器输入信号的信噪比,典型的如20dB、0dB、-20dB、-40dB、其他值。比如以150Hz谐波作为信号时,同时测量得50Hz基波干扰是150Hz信号的100倍,此时的信噪比则为-40dB。

    13. 输出信噪比SNo:滤波器输出信号的信噪比,如20dB、40dB、60dB、其他值。这个信噪比一般由AD转精度决定的,或系统分辨力决定,例如AD转换器为12位时,AD转器的信噪比或动态范围为4096(72dB),因此滤波器输出信噪比不能低于72dB。

    滤波输出信噪比与动态范围的关系是:动态范围是滤波器输出信噪比所能达到的极限值。

    14. 滤波信噪比SNf:是滤波器输出信噪比(dB)与输入信噪比(dB)只差,这是我个人建立的一个概念,几乎等效于滤波器书上说的过渡带衰减。如果不是以dB形式,则是滤波后信噪比与滤波前信噪比之商。这项指标是非常重要的,是决定滤波器阶数时所需要的,但也不是必须的,有时设计任务中直接指定多少阶滤波器。

    例如: 假设幅度为1mV的150Hz信号与50Hz噪声的信噪比SNi=-40dB,由此可知50Hz干扰高达1V, AD转器采用12位精度,则SNo=72,SNf=SNo-SNi=72-(-40)=112dB。如果是一个150Hz的带通滤波器,就可以构想这样一个频率特性:在中心频率150Hz处的增益为40dB,在噪声频率50Hz处的增益为-72dB。可计算出滤波器输出中的150Hz信号为10mV*100=1V,50Hz噪声为1000/4096=0.25mV。而这样的一个带通滤波器可能是一个四阶甚至六阶带通滤波器。这可能是一个高Q值 的带通滤波器,而高Q值带通滤波器往往要求具有信号放大功能。

    15. 特殊功能要求:

    1)功耗要求:低功耗滤波器。

    2)带宽要求:宽带滤波器。

    3)噪声要求:精密滤波器,即低噪声滤波器。

    4)滿幅输入-满幅输出要求:采用Rail-to-Rail运放才能达到。

    16. 通道要求,一个滤波器模块中有几个独立2阶单元,通常有1、2、4、8通道。

    17. 增益:是否需要滤波器具有输出放大功能,进一步节约成本。通常情况下增益为1(或0dB),通常高阶带通滤波器置于放大电路的前端或中放级,增益远远大于1以提高信噪比和节约电路成本;高通、低通滤波器、陷波器通常置于放大器的后级或中间级,增益为1(或0dB)。

    将以上方面进一步简化,整理成如下表格:

滤波器设计的原始信息表:



   LYF系列滤波器的选型参考:



  • 阅读(45015)  |   评论(45)  |   推荐(130)
网友评论
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  • 匿名牛X,太专业了……
  • 2012/2/27 15:42:26回复
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  • 匿名顶顶
  • 2012/2/27 14:49:31回复
  • 头像
  • 匿名谢谢博主的分享
  • 2012/2/27 14:49:15回复
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  • 匿名不错,支持
  • 2012/2/27 14:48:45回复
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  • 匿名好复杂
  • 2012/2/27 14:48:21回复
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  • 匿名电源电压对动态范围有较大影响。
  • 2012/2/27 10:30:35回复
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  • 匿名带通滤波器:滤波后的信号带宽很窄,对放大器的带宽要求最低。
  • 2012/2/27 10:30:08回复
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  • 匿名仪器与测量产品一般选择工业级、低噪声、精密滤波器。
  • 2012/2/27 10:29:45回复
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  • 匿名在滤波器设计及选型中,用户给出的信息往往过于简单,以至于往往难以给出有效的技术支持。
  • 2012/2/27 10:29:23回复
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  • 匿名支持
  • 2012/2/24 14:25:04回复
  • 发表评论(已有45条评论)
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