盧育中 李春風

（91388部隊95分隊 湛江 524022）

1 引言

在水下目標測量試驗中，由于受海浪、海流沖擊等外部因素，造成獲取目標數(shù)據(jù)存在較大外部干擾信號，給目標數(shù)據(jù)分析處理帶來了較大的影響，如何去除外部干擾噪聲，提高信號錄取的質(zhì)量，準確獲取目標特征是測量系統(tǒng)設(shè)計的一個難題［1］。本文介紹了一種基于MAX274芯片［2］設(shè)計制作多通道抗混迭濾波器的設(shè)計方法并應(yīng)用于實際水聲信號的采集記錄電路，得到了很好的實際應(yīng)用效果，有效信號錄取的質(zhì)量。

2 濾波器的選擇

根據(jù)噪聲測量系統(tǒng)對水聲信號處理的實際測量要求，為了消除海洋中高頻的干擾噪聲，無失真還原信號，在A/D轉(zhuǎn)換采集記錄之前對水聽器信號進行抗混迭低通濾波處理，濾除高頻信號干擾，在低頻范圍內(nèi)，在接近通帶的止帶產(chǎn)生最佳的衰減，對濾波器特性諸如帶內(nèi)平坦度、帶外衰減、過渡帶寬度等參數(shù)有較高要求時，因此往往采用高階有源濾波器。通常的有源濾波器是由運算放大器及R、C電路組合而成［5］。由于階數(shù)高，因而使用的元器件也比較多，這樣設(shè)計出的RC有源濾波器進行參數(shù)調(diào)整特性亦會造成很大影響，最終的效果并不是很好。加之在設(shè)計RC濾波器時，我們還不得不考慮諧振現(xiàn)象。因此，一般說來，具有較大R值的RC濾波器是比較理想的，它不會產(chǎn)生明顯的諧振。但在信號頻率為幾kHz以上，或傳輸率為kb/s以上的電路中，高R值是不合適的。

Chebyshev濾波器［11］的設(shè)計就是為了在接近止帶產(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，不同的頻率分量要至少受同時間延遲的支配。

Bessel型濾波器同受到廣泛應(yīng)用的Buterworth濾波器相比，具有最佳的線性響應(yīng)，但是滾降就慢得多，并且較早就開始滾降。逐次增大階次的Bessel濾波器能獲得改善的線性相位函數(shù)。

橢圓函數(shù)濾波器可以產(chǎn)生比Butterworth、Chebyshev或Bessel濾波器更陡峭的截止，不過卻在通帶和止帶代入內(nèi)容復(fù)雜的紋波，并造成高度的非線性相位響應(yīng)［4］。

通過對比以上三種類型濾波器的特點以及在接近通帶的止帶產(chǎn)生最佳的衰減等系統(tǒng)設(shè)計要求，我們選擇了Chebyshev類型濾波器。

3 Chebyshev高階有源低通濾波器設(shè)計原理

3.1 MAX274芯片特點

MAXIM公司開發(fā)的8階連續(xù)時間有源濾波器芯片MAX274將4個二階節(jié)合而為一，最高中心設(shè)計頻率可達150kHz。該濾波器不需要外置電容，每個單元二階工的中心頻率F0、Q值，放大倍數(shù)均可由其外接電阻R1～R4的設(shè)計來確定。集成化后的二階節(jié)較之由運放和R、C電路組成的二階節(jié)，其外接元件少、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、不受運放頻響影響，對電路雜散電容也有更優(yōu)的抗干擾性。

MAX274是包含四個互相獨立的二階濾波單元的高效和集成芯片。通過調(diào)整外接的幾個電阻，可以組成各種高階有源低通、高通、帶通濾波器，如Butterworth、Chebyshev、Bessel和橢圓函數(shù)型等。

采用MAX274/275芯片設(shè)計高階的低通濾波器，對于相同設(shè)計指標，Chebyshev和橢圓函數(shù)型濾波器，所需二階節(jié)數(shù)少于Butterworth、Bessel型，并且MAX274不支持橢圓函數(shù)型帶通濾波器結(jié)構(gòu)。

圖1 二階濾波單元的原理圖

3.2 設(shè)計原理

根據(jù)MAXIM提供的濾波單元原理圖，我們可以先求出所需濾波器的頻譜（幅度譜）表達式，計算出濾波單元的傳輸函數(shù)，然后再通過調(diào)整濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q、增益G和帶通濾波器的中心頻率F0，用實際濾波器的頻譜來似合所需的頻譜，圖1是二階濾波單元的原理圖。

圖1中，整個濾波單元外接四個電阻R1、R2、R3、R4，其余元件封裝在芯片內(nèi)，并有準確參數(shù)。每個濾波單元有五個外接管腳，分別為輸入（IN）、帶通輸入（BPI）、帶通輸出（BPO）、帶通輸入（LPI）和低通輸出（LPO）。圖中

系統(tǒng)的截止頻率為：

低通濾波器直流輸出增益HOLP為

濾波低通信號輸出如圖2所示。

圖2 濾波低通信號輸出

圖中，系統(tǒng)傳遞函數(shù)G（s）為

根據(jù)以上關(guān)系式（1）可知，R2和R4的阻值決定截止頻率F0，且有，

由式（3）可知，電阻R3設(shè)置調(diào)整濾波器的口若懸河質(zhì)因數(shù)Q，

當Fc接高電平時，RX/RY取值為4/1；

當Fc接地時，RX/RY取值為1/5；

當Fc接低電平時，RX/RY取值為1/25；

電阻R1決定濾波器的增益G，R1的值與低通濾波通道的增益G成反比，且由以上公式有

當Fc接高電平時，RX/RY取值為4/1；

當Fc接地時，RX/RY取值為1/5；

當Fc接低電平時，RX/RY取值為1/25；

由式（9）～（12）可知，當?shù)屯V波器中心頻率F0確定下來以后，R2和R4的阻值就唯一的確定下來，并且在RX/RY值已知的條件下，Q值決定于R3，而系統(tǒng)增益G為R1與F0乘積的倒數(shù)，這樣，四個外接電阻與三個系統(tǒng)參數(shù)F0、Q、G之間的關(guān)系也就確定了。我們只需要通過改變F0、Q、G這三個參數(shù)，就可以得到所需要的幅度譜。

4 Chebyshev高階有源低通濾波器設(shè)計實踐

當濾波器的階數(shù)較高時，就需要通過多個濾波單元級聯(lián)來實現(xiàn)。一般來說，止帶處的特性曲線變化陡峭，因此，二階節(jié)的Q值較大，求出的電阻值一般也比較大；而中間部分的二階節(jié)則Q值較小，曲線平緩。合理地分配各個中心頻率非常重要，它將直接影響到濾波器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，甚至最終的濾波效果。

在求出各個電阻值后，不要急著將它設(shè)計成電路，可以事先通過MATHEMATIC或者是MATLAB對濾波器的頻譜進行仿真［12］。觀察不同的外接電阻值對整個頻帶的影響，以求得最佳的通帶。

圖3為四通道低通濾波器電路圖。

圖3 四通道低通濾波器電路圖

5 結(jié)語

該設(shè)計方案已應(yīng)用于某型水下目標測量系統(tǒng)中，成功地解決了目標因環(huán)境噪聲等原因引起的外部干擾而不能準確測量的難題。實際應(yīng)用證明，采用連續(xù)時間集成濾波器MAX274設(shè)計和制作的Chebyshev高階低通濾波器，其結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計，性能可靠，避免了傳統(tǒng)高階濾波器電子元件多、不宜調(diào)節(jié)的缺點。

但是值得提出的是，由于高階濾波器濾波節(jié)數(shù)多，因而不可避免地會帶來一些高噪聲，這對于弱信號來說是極為不利的，在實際應(yīng)用中就出現(xiàn)了高頻測距信號不能完全濾除的現(xiàn)象；另外，模擬濾波器在通帶范圍內(nèi)還會產(chǎn)生一定的相移，這也是實際操作過程中需要考慮的因素。