LTC1068型滤波器在机械振动信号调理电路中的应用

摘要：介绍LTC1068型低噪声、高精度通用滤波器的功能特点、引脚功能及工作模式，给出LTC1068在机械振动信号调理电路中的应用实例。 关键词：LTC1068 信号调理 高通滤波器 1 引言 随着现代数据采集系统的不断发展，对高精度信号调理技术的要求也越来越高。由于传感器输出的信号往往存在温漂、信号比较小及非线性等问题， 因此它的信号通常不能被控制元件直接接收，这样一来，信号调理电路就成为数据采集系统中不可缺少的一部分，并且其电路设计的优化程度直接关系到数据采集系统的精度和稳定性。笔者设计的ICP传感器调理电路采用了一种LTC1068型通用滤波器，可对传感器输出的信号进行高精度的滤波调理，减小了温漂和直流偏置，从而满足了采集系统高精度和高稳定性的要求。 2 LTC1068简介 LTC1068是Linear公司生产的4通道通用滤波器，它有很低的失调电流、漂移电流和偏置电流，并且具有很高的动态范围，达到截至频率的200倍时无混叠现象。工作电压为+1.5V～+5V。 2．1 LTC1068的引脚功能 LTC1068采用24引脚PDIP和28引脚SSOP二种封装，引脚排列如图1所示。各个引脚的功能如下所述： V+、V-：滤波器电源正负输入端。通常情况下在该引脚与模拟地之间接一个0.1μF的旁路电容器以抗击干扰。滤波器的供电电源必须与其他数字或模拟电路的高电压电源分离开。有双端和单端二种供电方式，建议使用低噪声线性电源。 AGND：模拟地。滤波器的性能很大程度上取决于模拟信号地的质量，单端供电方式时，AGND引脚必须接一个至少0.47μF的旁路电容器。 CLK：时钟信号输入端。任何TTL或CMOS占空比为50%的方波时钟信号源都可以作为时钟信号的输入。时钟信号源的供电电源不能作为滤波器的供电电源，滤波器的模拟地必须与时钟信号源的模拟地连接在一起。因为过低的时钟信号会使内装中时钟不稳定，所以不要使用频率小于100kHz的时钟信号。在绘制电路板时，时钟信号线最好垂直于集成电路的引脚，以避免与其他信号产生耦合，在时钟信号源与CLK引脚之间接一个200Ω的电阻器可以进一步减小耦合。 HPA、HPB、HPC、HPD：A、B、C、D4个通道的高通输出端。 LPA、LPB、LPC、LPD：A、B、C、D4个通道的低通输出端。 BPA、BPB、BPC、BPD：A、B、C、D4个通道的带通输出端。 LTC1068的每一个2阶通道的3个输出端都可以驱动同轴电缆或过载阻抗小于20kΩ的电路，这样可以降低总体的谐波失真。 INV A、INV B、INV C、INV D：滤波器信号输入端。这些引脚是内部放大器的反向输入端，因为它们很容易受低阻抗输出信号和电源线的影响，因此在实际电路中要离开时钟信号线和电源线至少0.1英寸。 SA、SB、SC、SD：加法求和输入端，也是电压输入引脚。使用时必须接一个5kΩ以下的电阻器，不用时必须接地模拟地。 2．2 LTC1068的内部结构和工作模式 如图2所示，LTC1068的四个2阶通道在内部是分离的，因此4阶或8阶的高阶滤波器是由四个通道的级联来实现。LTC1068有三种基本工作模式：模式1、模式2和模式3，还有两种扩展工作模式：模式1b和模式3a。 在模式1中，外部时钟信号与各个两阶通道的心频率的比值为固定的100：1，模式1可以设计高阶的巴氏低通滤波器，也可以用来设计低Q值的带阻滤波器。如图3所示，模式1中各参数的计算如下：时钟频率与中心频率的比值为100：1；Q值为R3/R2；带阻滤波器对输入信号的放大倍数为-R2/R1；带通滤波器对输入信号的放大倍数为-R3/R1；低通滤波器对输入信号的放大倍数也是-R2/R1。 模式1b是在模式1的基础上推导出来的，与图3相比模式1b多了二个外接电阻，在S端和LP端接了一个R5，在S端与地之间接了一个R6，这二个电阻器用来降低低通输出端LP到SA（SB、SC、SD）输入的电压反馈。这样可以使时钟信号频率与中心频率的比率大于100：1。模式1b不但保持了模式1的优势，还通过提高fclk/fcutoff比值实现了高Q值的最佳模式设计。 如图4所示，在模式3中，外部时钟频率与中心频率的比值可以调整为大于或小于100：1，可以通过一些经典的变量配置实现二阶的高通、低通和带通功能。模式3比模式1速度慢，经常用作设计高阶的多级带通、低通和高通滤波器。 模式3a是模式3的扩展，通过二个外接电阻器RH和RL把滤波器的高通和低通输出端结合起来，从而实现了带阻滤波器的设计。模式3a比模式3更通用，因为2阶带阻滤波器的频率可以大于或小于中心频率。当LTC1068的各部分需要级联时，高通端和低端的输出可以合在一起直接作为下一部分的反向输入。 模式2是模式1和模式3相结合得到的，如图5所示。在模式2中，时钟频率与中心频率的比值通常小于100：1。与模式3相比，模式2可以提供比较小的电阻容限裕度。与模式1相同，模式2有一个依赖于时钟频率的带阻输出，因此带阻频率小于中心频率。 3 在机械振动信号调理电路中的应用 信号调理电路由激励电路、放大电路和滤波电路构成。图6所示为机械振动信号调理电路的硬件电路。 因为IPC传感器要求+24V的工作电压和4mA的工作电流，因此激励电路的作用就是给ICP传感器提供+24V和4mA的工作条件。为了能获得稳定且噪声低的电压，电路设计采用DC-DC变换器把+5V转换为稳定的+24V，4mA的直流电流则通过LM334来实现。 为了使ICP传感器输出的信号更加稳定，信号先进入一个电压跟随器，然后再进入集成放大器。其中跟随器和放大电路都采用TLC2272型放大器。TLC2272是单芯片双运放放大器，与其他CMOS型放大器相比，具有高输入阻抗、低噪声、低输入偏置电流、低功耗等优点，并且且人轨对轨的输出特性，因此其动态应用范围大，可以提供2MHz的带宽和3V/μs的摆率。 在进行数据处理时，为提高信噪比，突出被测机械设备的特性信息，通常要对采样的信号进行滤波处理，因此滤波电路是信号调理电路中很重要的一部分。本设计采用高通滤波器和低通滤波器组成的带通滤波器来实现滤波功能，其中低通滤波器采用LTC1063，高通滤波器采用LTC1068。通过这二个高精度滤波器的配合使用，减小了温漂、零漂和直流偏置，提高了信噪比，从而满足了采集系统调理电路高精度和高稳定性的要求。 图6 4 结束语 由于LTC1068的4个通道都是低噪声、高精度、高性能的2阶滤波器，因此每个通道只要外接若干电阻器就可以实现低通、高通、带通和带阻滤波器的功能。4重2阶、2重4阶或8阶滤波器都可以用LTC1068来设计和实现。LTC1068是低噪声高精度通用滤波器，可以广泛应用于精度要求较高的系统中，诸如可以作为线性相位带通滤波器、选择性很强的带通滤波器。同时由于LTC1068直至截止频率的200倍都无混叠现象，而且最大中心频率可以达到50kHz，因此可以用来设计音频均衡滤波器、消除噪声滤波器等。由此可见，LTC1068在信号处理电路中具有很广泛的应用前景。