基于ＭＡＸ２７４的音頻濾波器設(shè)計

摘 要：介紹MAX274有源濾波器的特性及計算電路參數(shù)的原理和數(shù)學推導(dǎo)過程。并介紹了MAXIM公司專用濾波器設(shè)計芯片配套開發(fā)軟件的使用方法。給出了簡潔、有效的濾波器設(shè)計解決方法，設(shè)計了通帶范圍為300Hz一3400Hz的音頻有源切比雪夫型帶通濾波器。實際濾波效果良好。

關(guān)鍵詞：帶通濾波器；切比雪夫(Chebyshev)型濾波器；MAX274

引言

在語音數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，為了防止在數(shù)據(jù)采集后發(fā)生混疊失真，同時因為前端一般都會混入50Hz的交流電源噪聲，為了阻止語音頻帶以外的噪聲，在A／D轉(zhuǎn)換之前要設(shè)置一個濾波器。并且，為了在接收端的A／D轉(zhuǎn)換之后還原高質(zhì)量的語音信號，也需要有尖銳截止特性的通帶范圍為300Hz～3400Hz的帶通濾波器。經(jīng)調(diào)查研究，我們采用了美國MAXIM公司開發(fā)的8階連續(xù)時間有源濾波器芯片MAX274，設(shè)計出了比較滿意的帶通濾波器。現(xiàn)將設(shè)計方法及經(jīng)驗體會總結(jié)如下。

濾波器類型選擇

一般有源連續(xù)濾波器有以下類型：

巴特沃斯(Butterworth)型濾波器在通帶和止帶內(nèi)沒有復(fù)雜的紋波。相位響應(yīng)的線性特性比較好。但是接近通帶的止帶的衰減不夠快，既滾降特性不太好。

切比雪夫(Chebyshev)型濾波器的設(shè)計是為了在接近通帶的止帶產(chǎn)生最佳的衰減，即具有最快的滾降。但是它在相位上不是線性的，也就是說，不同的頻率分量要受到不同時間延遲的支配。而且會在通帶或者止帶內(nèi)產(chǎn)生紋波。

橢圓函數(shù)(Elliptic)型濾波器可以產(chǎn)生比切比雪型或巴特沃斯型濾波器更陡峭的滾降，不過卻在通帶和止帶內(nèi)同時引入了內(nèi)容復(fù)雜的紋波，并造成高度的非線性相位響應(yīng)。

我們在系統(tǒng)設(shè)計中所需要的帶通濾波器，要在接近通帶的止帶產(chǎn)生比較好的衰減，并且濾波器階數(shù)在滿足要求的前提下應(yīng)盡可能小。切比雪夫型濾波器的具有比較快的滾降，相位響應(yīng)基本滿足要求，且相對其他濾波方式完成相同的指標所需階數(shù)較小。經(jīng)過權(quán)衡取舍，選擇了切比雪夫型濾波器來設(shè)計帶通濾波器。

MAX274有源濾波器簡介

MAX274是MAXIM公司推出的一種連續(xù)時間有源濾波器，內(nèi)部有4個2階狀態(tài)可變?yōu)V波器單元，可實現(xiàn)巴特沃斯(Butterworth)型、切比雪夫(Chebyshev)型、橢圓函數(shù)(Elliptic)型以及貝賽爾(Bessel)全通型濾波器。

選用274／275設(shè)計濾波器具有如下優(yōu)點：

(1)電路簡單，無需外接電容，根據(jù)設(shè)計要求，每個濾波單元只需外接4個編程電阻，即可實現(xiàn)從100Hz到150kHz的低通、帶通濾波；

(2)MAXIM公司網(wǎng)站提供了免費的專用設(shè)計軟件，無需復(fù)雜的計算；

(3)274是單片集成結(jié)構(gòu)，高頻工作時基本不受雜散電容的影響；對電阻誤差也不敏感；

(4)所設(shè)計濾波器的中心頻率、轉(zhuǎn)折頻率、Q值以及放大倍數(shù)等都可由外加電阻加以確定，參數(shù)調(diào)整十分方便；

(5)由于放大倍數(shù)可調(diào)，所以常常設(shè)計成與后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接接口的形式，省卻了放大電路；

(6)該芯片為連續(xù)時間型，比開關(guān)型濾波器噪聲低，動態(tài)特性好；并且不要時鐘，沒有時鐘噪聲。

MAX274內(nèi)部的每個濾波器單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中BPO、LPO分別為帶通和低通輸出。

MAX274的引腳見圖2。引腳名的最后一個字母表示其所屬第幾個濾波器單元，如A表示第一個，B表示第二個。引腳名的前幾個字母表示其功能，如IN為輸入，BPI為帶通輸入，BPO為帶通輸出，LPO為低通輸出，F(xiàn)C為工作方式及頻率選擇。V+為正電源，V-為負電源，電源電壓，為±2．137V～±5．150V之間。電源電流最大不超過30mA。

驗證實際設(shè)計的每個二階節(jié)的頻譜。

我們利用MAXIM附帶的軟件設(shè)計出的頻帶范圍為300Hz～3400Hz的四階切比雪夫濾波器的各級電阻值是：

第一級二階節(jié)：

Rl=30．841KΩ，R2=477．141KΩ，R3=89．285KΩ，R4=472．14KΩ

第二級二階節(jié)：

R1：318．744KΩ，R2=4931KΩ，R3=922．8KΩ，R4=4931KΩ

實際安裝調(diào)試

由于MAXIM提供的軟件仿真出來的頻譜圖并不十分精確，而且無法觀察級聯(lián)起來后的頻譜，所以應(yīng)該再在MATLAB下完成仿真得到更力口精確的頻譜。

仿真可根據(jù)二階節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以得到輸入比帶通輸出的傳遞函數(shù)：

C=79.5pF

把設(shè)計軟件中得到的每個二階節(jié)的電阻值代入相應(yīng)的傳遞函數(shù)中，再把每個二階節(jié)的傳遞函數(shù)相乘，可以得到最后輸出的輻頻響應(yīng)，見圖4實線部分。

設(shè)計中，我們實際能實現(xiàn)的電阻阻值與計算值之間有一定的誤差，即使使用可調(diào)電阻，也存在誤差。因此要對電阻值進行取舍，一般只要誤差不超過5％，電阻值對濾波器波形的影響就不大，基本可以滿足要求了。

在實際調(diào)整電阻值過程中要遵循以下簡單的原則：R1的阻值與增益成反比；R3的阻值與品質(zhì)因素成正比；R2與R4的阻值與帶寬成反比。

在實際調(diào)試后，得出了比較令人滿意的幅頻響應(yīng)，見圖5虛線部分。調(diào)整之后的實際電路連接原理圖見圖4，其中各級電阻值是：

第一級二階濾波器：

R1：25，7KΩ，R2＝410KΩ，R3=69．5KΩ，R4=920KΩ

第二級二階濾波器：

Rl=400KΩ，R2＝5040KΩ，R3=930KΩ，R4=4600KΩ

結(jié)語

實踐證明，采用連續(xù)時間集成濾波器MAX274設(shè)計和制作的音頻濾波器，結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計，性能可靠，避免了傳統(tǒng)濾波器電子元件多、不宜調(diào)節(jié)的缺點，很好滿足了設(shè)計要求，實際濾波效果良好。