石春華

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 艦船自動化分所，上海 200135)

基于LTC1562-2芯片的聲納高頻帶通濾波器設(shè)計

石春華

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 艦船自動化分所，上海 200135)

在聲納接收機(jī)中，濾波器是一個非常重要的組成部分，其性能的好壞直接影響接收信號處理的質(zhì)量。采用LTC1562-2芯片代替LTC1562芯片,以Linear公司的仿真軟件LTspiceIV和FilterCAD為輔助工具，結(jié)合理論計算。測試結(jié)果表明，所設(shè)計中心頻率為200 kHz的巴特沃斯型帶通濾波器可滿足某型聲納接收濾波電路的使用要求，并根據(jù)仿真和計算結(jié)果進(jìn)行了實際電路測試。

帶通濾波器；LTC1562-2芯片；巴特沃斯；聲納

0 引 言

在水聲通信中，為了使濾波器在通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)平坦和低噪聲，一般使用多個二階有源濾波器級聯(lián)構(gòu)成巴特沃斯型帶通濾波器[1]。在聲納接收電路中，有些采用有源濾波器芯片LTC1562芯片構(gòu)成多階帶通濾波器，現(xiàn)需設(shè)計中心頻率為200 kHz的高頻帶通濾波器，帶寬為20 kHz。然而芯片LTC1562的頻率最大只有150 kHz,無法滿足設(shè)計要求。在對多家廠商濾波芯片的選型進(jìn)行比較后，選擇使用Linear公司的LTC1562-2芯片作為200 kHz濾波器芯片。LTC1562-2芯片能滿足設(shè)計中心頻率為200 kHz的要求，功能上可實現(xiàn)8階巴特沃斯型帶通濾波器。同時，該芯片和原來的LTC1562芯片均是Linear公司的產(chǎn)品，并且封裝與LTC1562芯片完全一致，可在對原有接收機(jī)改動最小的情況下完成高頻濾波的改進(jìn)，節(jié)約設(shè)計成本。

1 LTC1562-2芯片的結(jié)構(gòu)及特性

LTC1562-2芯片是Linear公司推出的一款低噪聲及低失真的連續(xù)時間模擬有源濾波器，可實現(xiàn)以20～300 kHz為中心頻率的濾波器，其內(nèi)部由4個二階單元組成，每個二階單元的中心頻率f0，品質(zhì)因素Q及增益Gain均可通過3個外部電阻或電容進(jìn)行設(shè)置，可實現(xiàn)巴特沃思、切比雪夫和貝塞爾型等不同形式的低通、帶通和高通濾波器[2](LTC1562-2芯片外部引腳見圖1)。

圖1中：引腳后綴A，B，C，D表示二階濾波單元的組別；VIN為輸入引腳；V1和V2為根據(jù)輸入端VIN是接電阻還是電容表示不同的濾波響應(yīng)輸出。根據(jù)芯片手冊，二階單元內(nèi)部元件R1=7 958 Ω，C=100 PF。當(dāng)輸入ZIN為電阻時，V1腳為帶通響應(yīng)輸出，V2腳為低通響應(yīng)輸出端；當(dāng)輸入ZIN為電容時，V1腳為高通響應(yīng)輸出，V2腳為帶通響應(yīng)輸出(LTC1562-2芯片二階單元的內(nèi)部等效電路見圖2)。

在每個二階單元中，中心頻率f0，品質(zhì)因素Q及增益HB均可通過外部電阻和電容，根據(jù)Linear公司給出的計算公式進(jìn)行計算和設(shè)置。中心頻率f0與品質(zhì)因素Q的計算式分別為

a)ZIN為電阻RIN時b)ZIN為電容CIN時

圖3ZIN為電阻RIN或電容CIN時帶通濾波器外部接線方法

(1)

(2)

R2，RQ和ZIN為二階單元的外部元件，在設(shè)計帶通濾波器時外部接線方式見圖3。

ZIN為電阻RIN時，

(3)

ZIN為電容CIN時，

(4)

式(1)～式(4)中:f0為中心頻率,kHz;RQ,R2為外部元件,Ω;RIN為電阻,Ω;CIN為電容,PF。

2 基于LTC1562-2芯片的帶通濾波器設(shè)計

在該接收機(jī)的設(shè)計中，為了使濾波器在通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)平坦、最大增益≈0dB、噪聲小，在設(shè)計時采用巴特沃斯型的帶通濾波器。帶通濾波器中心頻率為200(1±1%)kHz；-3dB帶寬為20(1±10%)kHz；矩形系數(shù)≤5；濾波器階數(shù)為8階；濾波器類型為巴特沃斯型。

一般有源濾波器的設(shè)計過程是選擇與目的相適應(yīng)的濾波器，由必需的衰減量決定階數(shù)，以二階有源濾波器為單位，從歸一化表中確定各級的中心頻率和品質(zhì)因素，再進(jìn)行RC參數(shù)計算[3]。該方法在實際應(yīng)用中過于繁瑣，這里利用Linear公司的2個仿真設(shè)計軟件FilterCAD及LTspice，并結(jié)合理論計算的方式實現(xiàn)上述濾波器參數(shù)的設(shè)計。設(shè)計步驟為：

1) 確定各二階單元的中心頻率f0和Q值。FilterCAD是一款濾波器設(shè)計軟件，可根據(jù)濾波器的設(shè)計參數(shù)初步確定各二階單元的f0和Q值，見圖4和表1。

2) 根據(jù)式(1)和式(2)計算各二階單元的R2和RQ值。

表1 f0和Q值的配置

表2 R2和RQ的計算值 kΩ

3) 用LTspice軟件對上述參數(shù)進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真曲線調(diào)整參數(shù)。

為了比較轉(zhuǎn)移支付在中國教育水平趨同中的作用，下文將采用β絕對收斂、β條件收斂對中國以及東、中、西部地區(qū)間的教育水平進(jìn)行研究，以揭示西部地區(qū)受教育水平差異及縮小的內(nèi)在原因。中國各省的教育水平和轉(zhuǎn)移支付都存在顯著的空間效應(yīng)，因此本文借助空間經(jīng)濟(jì)收斂模型，構(gòu)建教育水平的空間β絕對收斂(式2～式3)和條件收斂的空間面板自相關(guān)模型和空間面板滯后模型(式4～式5)，以考察轉(zhuǎn)移支付條件下教育水平增長與初期發(fā)展水平的關(guān)系。鑒于教育發(fā)展程度除了受國家財政支持力度的影響外，還取決于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平，因此將經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也作為必要條件納入β條件收斂模型。

在設(shè)計時根據(jù)實際情況ZIN選擇電阻最為合適，有以下理由：

1) 濾波器的電路比較精密，外圍元件很小的變化都會對其濾波效果產(chǎn)生很大的影響，而電容在精度上很難保證，且對于非常規(guī)的電容而言定制成本比較高，不適合用于濾波器設(shè)計；相反，電阻卻可以購買到E96或E24系列的電阻值，該電阻值價格低、誤差小且溫度特性穩(wěn)定。

2) 在LTC1562-2芯片手冊中也明確“進(jìn)行中心頻率>200 kHz的濾波器設(shè)計中，ZIN采用電阻比較合適”。

仿真過程中，RIN的值根據(jù)式(3)來調(diào)整，除了保證濾波器最后一級輸出滿足設(shè)計要求以外，還要保證每級的輸出最大增益盡可能在0 dB附近，防止輸入波形增益過大，在時域特性上有失真的情況出現(xiàn)，可通過調(diào)整RQ和RIN的值來控制。

輸入信號頻率為200 kHz的正弦波，Vpp=40 mV，仿真濾波器電路仿真圖見圖5。圖5中，外圍電阻值均是根據(jù)仿真波形和計算公式調(diào)整后的參數(shù)。仿真各級頻率響應(yīng)曲線見圖6～圖9。

根據(jù)LTspice仿真軟件調(diào)整后的最終外圍電阻參數(shù)見表3。

表3 可編程電阻值 kΩ

3 設(shè)計驗證及電路測試

1) 由圖9的仿真結(jié)果可計算出所設(shè)計濾波器的中心頻率f0，-3 dB帶寬B和矩形系數(shù)，均滿足設(shè)計要求。

(5)

(6)

(7)

2) 根據(jù)表3各單元的RQ，RIN，R2值完成濾波器的制作。用信號源加入輸入信號Vpp=20 mV，頻率為200 kHz連續(xù)的正弦波。利用信號源和示波器測量其中心頻率-3 dB帶寬和-40 dB帶寬，實測的中心頻率略小，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整電阻后，濾波器所有指標(biāo)均符合設(shè)計要求(測試參數(shù)見表4)。

表4 實測參數(shù)與設(shè)計指標(biāo)、仿真參數(shù)對比

3) 利用信號源加入頻率為188～213 kHz的掃頻信號，觀察輸出波形的平坦性(見圖10和圖11)。

由圖10和圖11可知，該輸出波形在實際電路中的平坦性符合巴特沃斯型的濾波特性。

4 結(jié) 語

根據(jù)LTC1562-2濾波器芯片的技術(shù)指標(biāo)，通過計算、仿真及實際電路測試證實，利用LTC1562-2芯片設(shè)計中心頻率為200 kHz、-3 dB帶寬為20 kHz的巴特沃斯型帶通濾波器是可行的，并可滿足某型聲納接收濾波電路的使用要求。

[1] 華成英.模擬電子技術(shù)基本教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2] 冉茂華，陳三寶.基于LTC1562有源濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國有線電視,2005(19):1974-1976.

[3] 遠(yuǎn)坂俊昭，彭軍.測量電子電路設(shè)計-濾波器篇[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

ImprovedDesignofHighFrequencyBandpassFilterBasedonLTC1562-2

SHIChunhua
(Ship Automation Branch, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

The performance of the filter in a Sonar Receiver directly affects the quality of the receiver signal. This paper introduces a sonar receiver filter constructed using LTC1562-2 filter chip instead of LTC1562 chip. The design process making use of Linear simulation software LTspiceIV and FilterCAD is presented. The Butterworth band-pass filter with a center frequency of 200 kHz is designed and tested.

band-pass filter； LTC1562-2； Butterworth； sonar

2017-04-10

石春華(1989—)，男，上海人，助理研究員，主要從事水聲電子通信研究。

1674-5949(2017)02-0051-06

TN713

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