1、開關電容濾波器的設計與應用研究 引言 開關電容濾波器的選型 可編程開關電容帶通濾波器 運算放大器的設計 軟件設計 結論一 、引言 從兩部分介紹了本設計的背景，一是有關開關電容濾波器的內容；二是電力線通信。 開關電容濾波器(Switch Capitor Filter，SCF)是一種由MOS開關、MOS電容器和MOS運算放大器構成的離散時間模擬濾波器。開關電容濾波器可直接處理模擬信號，而不必像數字濾波器那樣需要A/D、D/A轉換，簡化了電路設計，提高了系統的可靠性。開關電容濾波器的工作頻率不高，其應用范圍目前僅限于音頻頻段。但隨語音/數據通信及微電子測量儀器領域內對單片集成MOSFET有源濾波器的

2、需求劇增，促使了開關電容濾波器的研究與開發，特別是高階SCF。 因此，這里提出一種開關電容濾波器的系統設計方案。 電力網是世界上已經存在的最大的網絡，幾乎只要有人的地方就存在電力網絡，但是目前的使用效率卻十分低下，僅僅局限于電能的傳輸。電力線通信有其特有的有點和市場需要，從成本、施工、易用性等各個方面考慮，電力線載波通信方式具有明顯的先天優勢。正是由于這些優勢的存在，電力線通信已經引起人們越來越多的關注。二、開關電容濾波器的選型 從兩部分介紹了開關電容濾波器的選型問題，一是討論應該選擇哪種類型，二是實現的方式。 1、類型選擇 這里所設計的開關電容濾波器是應用于電力線信號傳輸，在實際的電力線上，

3、其低頻噪聲的能量是相當大的，這其中包括電力線本身的50Hz的電能信號；同時，受電磁輻射、無線電通訊等等的干擾，電力線也會充滿各種高頻噪聲。電力傳輸信號頻率為57.616、76.816 和115.216kHz，所以需要將電力線上的低頻噪聲（包括電力線上50Hz的電源信號）濾除，同時還 需要濾除各種不可知的高頻噪聲，這樣帶通濾波器成為最佳選擇。 帶通濾波器的理想濾波特性是，通帶內信號完全無衰減通過，阻帶內信號完全衰減。但實際應用中，理想的濾波器是不存在的，只能用傳輸函數近似表達其濾波特性。根據對濾波器特性的不同要求，選擇不同形式的近似函數，從而得到常用的濾波器：巴特沃思(Butterworth)濾

4、波器、切比雪夫(Chebyshev)濾波器、橢圓函數(Elliptic Function)濾波器。 考慮電力線通訊中的信號與噪聲特性，由于電力線所接觸的環境復雜，噪聲源多，所以電力線上的噪聲能量很高。尤其在低頻部分，其噪聲能量比信號能量大很多倍。這就要求濾波器有良好的帶外衰減特性，而且不允許阻帶部分出現紋波。因此，橢圓函數濾波器就不能滿足要求，而巴特沃思濾波器的衰減特性又不夠好。綜合考慮，切比雪夫濾波器是最佳選擇。濾波器階數越高，其滾降速度越快，但是也意味更大的功耗。于是這里采用6階帶通切比雪夫濾波器。2、實現方式 高階濾波器的實現方式主要有2 種:級聯法和梯形法。 級聯法需要先得出滿足頻率特

5、性要求的S域傳輸函數H(s)，然后經S域到Z域的頻率變換后得出Z域傳輸函數H(z)；梯形法是無源梯形的有源SC模擬實現的。通過比較可得，通過信號流程圖法(SFG)，構建同相、反相、有損、無損開關電容積分器，獲得梯形電路。但這種方法在LC電路原型的串臂中至少存在一個電感，而對于全極點高通SCF，不能使用這種方法，因而只能使用級聯法。三、可編程開關電容帶通濾波器 濾波器的編程主要是針對其頻域響應進行編程，包括通帶頻率0，品質因數Q和傳輸函數增益的編程。其中，中心頻率編程是最常用的，也是最重要的。這里設計的濾波器正是對中心頻率的編程，為了得到最合理的編程二次節結構，首先應深入理解基本的二階帶通濾波器

6、的頻域響應。a6 C2a4 C2a2 C1a5 C2C2C1F 1F 2F 2F 2F 1F 1F 2F 1F 1F 2V1(z)Vin (z)Vout(z) 圖1 低Q 值開關電容二階帶通濾波器為得到良好的動態范圍，選取2=5，于是有：T052aaQT06aKT=a4(2)(1)(3) 圖2通過仿真分別給出了2=5時與25時兩個運放的輸出端的頻率幅值響應。仿真結果也很好驗證了低Q結構更適合該濾波器設計要求。 圖2 25和2=5時運放的輸出端的頻率幅值響應四、運算放大器的設計表1 運放所要滿足的指標五、 軟件設計 系統控制主要包括輸入儀表放大器控制、峰值檢測控制、開關電容濾波器控制、增益控制、濾波器通道控制、輸出反相控制、鍵盤控制、顯示控制等部分。這里主要介紹開關電容濾波器的控制。開關電容濾波器的控制包括時鐘發生模塊和編程參數控制模塊2部分。在這里就主要介紹了時鐘發生模塊和編程參數控制模塊。 圖3 參數讀取模塊仿真波形六、 結論 合理地選擇濾波器的類型和階數是濾波器設計的第一步，是由不同的應用需要，不同的信號與噪聲特點，不同的精度要求來決定。基于電力現通訊信號的特點，采用6階切比雪夫近似濾波器。通過對濾波器結構的比較，采用低Q結構，分析了