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利用數(shù)字電位器實現(xiàn)數(shù)控低通濾波器
摘要: 數(shù)字電位器是一種應用普遍的器件,,以下介紹如何使用數(shù)字電位器構建一個可調帶寬的低通濾波器,。
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1 引言

  數(shù)字電位器是一種應用普遍的器件,,以下介紹如何使用數(shù)字電位器構建一個可調帶寬的低通濾波器" target="_blank">濾波器,。

  2 一種簡單的低通濾波器

  由DS3903構成的音頻低通濾波器如圖l所示,。該電路采用單電源供電,,電源電壓范圍為2.7~5.5 V,。包含一級前置衰減,,5.0 V供電時可處理5.0 VP-P(1.77VRMS)輸入,。為了產生一個雙極點(極點在同一頻點)低通濾波器(每10倍頻程衰減12 dB),,電容C3必須是C2的2倍以上,可變電阻POTO和POTl設置相同值,,則截止頻率(fC)計算如下:
  
  其中,,RPOT是可變電阻POT0和POT2設置對應的電阻值。

  該電路的輸入部分(Cl,、U1一POTl,、U2A、Rl和R2)是音量控制電路,,還可將音頻信號的直流偏置到VCC/2,,使信號在未嵌位的條件下通過數(shù)字電位器和運放器,在任何供電電源下,,電路都能夠處理最大信號擺幅,。因此,該設計在2.7 V至5.0 V下工作性能良好,。輸出直流電平保持在VCC/2,,除非在正常輸出以外工作,電平將偏移到不同工作點,。

  對于已限定工作范圍的應用,,可以去掉輸入級電路,采用直接耦合的方式連接到濾波器,。去掉輸入電路后,,輸出信號只是經截止頻率為fC的雙極點濾波器濾波后的信號,而輸入信號的直流分量則直接旁路到輸出端,。

  通過更改電容或選擇不同端到端電阻的數(shù)字電位器,,該電路的截止頻率可設置為500 kHz。

  用于計算RPOT的數(shù)字電阻模型如圖2所示,,對于指定位置,,相應的開關將閉合而其他位置的開關則開路。電位器每遞增一個單元位置,,電阻將相應增加LSB(對DS3903,,10 kΩ/128=78Ω),,最高抽頭位置除外,最高抽頭位置為電位器電阻的并聯(lián)組合,,則引起非線性,。通過下式計算RPOT:
  
  其中:RLSB是端到端電阻除以抽頭數(shù);RW是滑動端,、電阻,;n是電位器的編程位置;a是數(shù)字電位器的總抽頭數(shù),。

  圖3所示給出了DS3903 10 kΩ電位器的RPOT電阻值與抽頭位置之間的關系圖,,假定端到端電阻為10 kΩ,滑動端電阻最小值是500Ω,。這兩個參數(shù)都會對濾波特性產生顯著影響,,但主要影響的是截止頻率的最小值和最大值,實際截止頻率可以在其最小值和最大值之間調節(jié),,選擇適當?shù)碾娙葜导纯蓪⒔刂诡l率設置在可調范圍內所要求的頻點,。

  3 數(shù)字電位器設計考慮

  濾波電路選擇數(shù)字電位器時需要考慮以下幾個因素。

  使用數(shù)字電位器的最大限制是電位器端點的電壓,,通常該電壓必須保持在VCC和GND之間,,以避免ESD結構內部的二極管將音頻信號嵌位。當VCC在規(guī)定的范圍(2.7~5.5 V)內時,,DS3903的ESD結構允許輸入信號處于6 V與GND之間,,這一特性對于要求輸入信號大于VCC的應用非常靈活。但是,,在圖l所示電路中并未處理6.0 VP-P信號,,因為運放電源低于6 V時將會嵌位信號。如果運算放大器能夠采用更高的電壓供電,,即可使用DS3903的大信號處理功能,。

  電位器抽頭的變化形式(線性或對數(shù))決定了電路截止頻率的線性調節(jié)或對數(shù)調節(jié)形式。對于圖l所示音頻范圍的濾波電路,,為保證在40~800 Hz之間提供盡可能多的截止頻率設置,,采用線性電位器比較合適。

  電位器的分辨率(如128或256抽頭)決定了截止頻率的調節(jié)精度,,抽頭數(shù)越多,,截止頻率的調節(jié)精度也越高。對于音頻應用,,不太可能使用64或128抽頭以上的電位器來設置低通濾波器的截止頻率,。對于寬帶應用則要求更多的電位器抽頭。

  一些數(shù)字電位器采用非易失存儲,能夠在沒有電源供電時保持抽頭位置,。這種特性可用于保存校準后的濾波器位置,,而在上電時不再調整濾波器設置。易失電位器總是從一個預置位置啟動,,電路在被修改之前將一直保持默認位置。

  數(shù)字電位器的端到端電阻和滑動電阻具有較寬的公差,,圖l所示電路中的兩個電阻(POTO和POT2)則保持相等,,因為這兩個電阻制作在同一硅片上。電位器的實際阻值差別較大,,通常端到端電阻的變化范圍是±20%,,但它們的相對值基本保持穩(wěn)定。

  另外,,數(shù)字電位器內部也具有一定的寄生電容,,這會限制最大截止頻率。截止頻率大于500 kHz時,,不推薦使用10 kΩ的數(shù)字電位器,,也不建議將50 kΩ數(shù)字電位器用于100 kHz以上的設計或將100 kΩ的數(shù)字電位器用于50 kHz以上的設計。對于音頻應用,,所選擇的電位器能夠提供足夠的帶寬,,但對于寬帶應用,必須慎重考慮這一因素,。

  4 運算放大器的選擇

  該電路對于運算放大器的主要設計考慮是最小穩(wěn)定增益和輸入,、輸出電壓擺幅。輸入級接收信號并將其偏置在VCC/2直流電平,,濾波器本身是單位增益放大器,。為保證可靠工作.放大器必須是單位增益穩(wěn)定。另外,,還需選擇具有滿擺幅輸入,、輸出的運算放大器,以處理接近電路供電電壓的輸入信號,。

  5 結語

  數(shù)字電位器可用于構建數(shù)控低通濾波器.本文中的雙極點濾波器能夠在音頻應用中提供良好性能,,選擇不同的電容、電位器值可以調整濾波器的截止頻率,,最高可達500 kHz,。

 

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