开关电容滤波器的"共振"现象及其对策

摘要：分析了开关电容滤波器的"共振"现象及其产生机理。针对该现象提出了解决办法，并结合信号处理仪器系统给出了采用MAX293制作抗混滤波器的方案。
关键词：开关电容滤波器 "共振"现象 抗混 编程

在信号处理仪器的硬件系统中抗混滤波器是一重要的部件。根据信号分析的要求，抗混滤波器的截止频率范围控制在10Hz~20kHz。为了提高信号的频率分辨率，要求抗混滤波器的带宽是可变的。比如要分析100Hz以内的信号特征，该低通滤波器的带宽选为100Hz。设计时，按1、2、4、5倍乘的原则，将20kHz频率范围分成14档不同带宽来处理。若采用一般的模拟低通滤波器必然电路繁复、换档不便、体积太大、不甚实用。而集成开关电容滤波器发展很快，生产公司不少，器件目前已系列化。它改变截止频率非常方便，只要程控不同的采样频率即可。因此，选择8阶开关电容椭圆低通滤波器MAX293作抗混滤波器用。理论上8阶低通滤波器适合于制作抗混滤波器，其截止频率后的衰减为160dB/10倍频，由文献[1]可知，如截止频率为1kHz，则到1.5kHz处，信号衰减了80dB[1]，接近理想的低通滤波器，这是由椭圆滤波的特点所决定的。实测的波特图(幅频特性)也有相似结果。但在试制过程中，发现该滤波器有"共振"现象，以下就此现象试作分析。

1 开关电容滤波器的"共振"现象
在用NW1232低频频率特性测试仪测试MAX293的幅频特性时，发现屏幕上除了预期的幅频特性之外，在采样频率及其整数倍的频率处具有窄带通形状的峰值，其高度达到甚至超过了前面幅频特性平坦部分的值。也就是说，当输入信号频率等于采样频率或为采样频率的整数倍时，出现了这一现象。此现象从未见文献报导过，暂时称之为"共振"现象，如在使用中对其不加处理，则将严重干扰有用信号。为了弄清原因，重复作了试验。采取自动扫描、手动扫描、变采样频率后扫描等方法，该现象始终如期而至。为了滤去该"高频干扰"，在MAX293电路之后，接上模拟低通滤波器。然而不管接二阶低通还是四阶低通模拟滤波器，其输出仍然存在该"干扰"，而且幅值无任何减小。

图中输入信号vi为正弦波(方波也一样)，1、2……为同频采样信号。在相位适当的时候(如图1所示)，开关电容滤波器的电容上将出现输入信号的峰值。相位的不同，采样到的值也不同，但各采样点所采样的值是相同的。因此在采样电容上产生一个直流信号，使滤波器输出一个直流电平。当观察幅频特性时，在输入信号与采样信号同频且相位合适时，就出现了上述所谓的"共振"现象。而且其后的低通模拟滤波器对此无能为力。同理，当信号频率为采样频率的整数倍时，显然也会出现相同的现象。

在低频特性测试仪上测试，Φ1、Φ2的频率fΦ为10kHz，除了在近100Hz处转折的低通幅频特性外，在10kHz、20kHz处，出现了峰值。此处fΦ即为上述的开关频率fc，其与低通滤波器的转折频率的关系，取决于图2(a)中的C1和C2之比值。此时用电压表测量vo为直流电压4V，用晶体管毫伏表测得输入信号值为2.8V。从而证实了上述分析。
为了去除"共振"现象，要限制输入信号的范围，使之小于采样频率。因此采用集成开关电容低通滤波器(如MAX293一类)时，在其前面，必须要增加模拟低通滤波器，把采样频率及其以上的高频信号有效的排除在外才行。

根据界面上测量显示信号的大小，用PC机上的键盘选取量程程控放大器的放大倍数，以得到幅度合适的信号。MAX293滤波器前后，接有两个可编程模拟低通滤波器，它们有同步的三个可编程转折频率，由PC机给出地址，切换到不同值的滤波电容来实现。用MAX293滤波器前的双二阶可编程模拟低通滤波器消除"共振"现象，用后边的二阶低通滤波器消除采样频率信号fc所引起的噪声。由于MAX293从10Hz~20kHz分成14档，其截止频率与采样频率fc之比值为1:100[1]，所以模拟滤波器的转折频率为100Hz、1kHz、10kHz三档，它们能将相应于fc及其以上的信号谐波排除在外。MAX293的不同截止频率是由PC机通过改变fc而得到的。所有模拟滤波器设计成Butterworth滤波器。本硬件系统及相应的软件系统已销售多套，并于2001年11月通过由机械工业技术发展基金会组织的鉴定。

参考文献
1 Maxim Integrated Products 1992. www.icbase.com

2 陆达明．开关电容滤波器的原理及设计．北京：科学出版社,1986:23~27

3 陈照章. 跟踪滤波器的设计及其应用, 仪器仪表学报，2001;22(3):240~246

4. MAX293 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX293_986095.html.