LTC1569滤波器在信号调理模块中的应用

1 引言
    信号调理电路是数据采集器中不可缺少的一部分。随着数据采集技术不断发展，对信号调理电路的要求也越来越高，其电路设计的优化程度直接关系到数据采集器的精度和稳定性。而滤波电路则是信号调理模块的关键所在。普通有源滤波器是由运算放大器和电阻、电容组成，但参数调整困难，而且应用于频率较高的场合，元件周围的分布电容将严重影响滤波器的特性，使其偏离预定的工作状态。普通有源滤波器还因为稳定性较差，较难实现窄带宽的设计，不易获得高Q值，难以满足系统要求。本文设计的传感器信号调理电路采用LTC1569型通用滤波器，能够高精度滤波调理传感器输出信号，从而满足数据采集器高精度和高稳定性的要求，与普通的有源滤波器相比。LTCl569组成的滤波器具有外接元件少，结构简单，参数调整方便和稳定性较好等优点。

2 LTC1569简介
    LTC1569是Linear公司生产的十阶低通滤波器，截止频率可调，最大截止频率可达300 kHz(5 V供电)。它有很低的失调电流、漂移电流和偏置电流，并具有很宽的动态范围。工作电压为3 V．5 V或者±5 V。
2．1 LTC1569的引脚功能
    LTC1569采用8引脚SO封装，各个引脚的功能如下：
    IN+/IN-(引脚1，2)：信号输入端。当信号由引脚1输入时，输出直流增益为1；而由引脚2输入时，输出直流增益为-1。
    GND(引脚3)：滤波器的参考电压，当单5 V电源供电时，其电压为2 V；当3 V电源供电时，其电压为1．11 V。V-/V+(引脚4，7)：滤波器电源正负输入端。通常，在引脚4和引脚7之间接一只1μF的瓷片电容作为旁路电容以消除干扰，并且该旁路电容应尽可能靠近滤波器放置。如果双电源供电，则引脚3接地，引脚4与引脚3以及引脚7与引脚3之间分别接一只0．1μF的旁路电容。
    DIV／CLK(引脚5)：时钟信号输入端。该滤波器既可使用内部时钟，也可使用外部时钟。使用内部时钟时，通过调节一只外接电阻改变截止频率；使用外部时钟时。任何TTL和CMOS占空比为50％的方波时钟信号源都可作为时钟信号输入。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。Rx(引脚6)：在该引脚和引脚7(V+)之间接一只外接电阻Rx用以启动内部时钟。该电阻值决定滤波器的截止频率。当该引脚接到引脚4(V-)时，内部时钟禁止。OUT(引脚8)：信号输出端。
2．2 LTC1569的工作模式
    LTC1569需要依靠一个时钟来驱动电路，可采用外部时钟或者内部时钟两种方式。当使用外部时钟时只需将引脚6(Rx)与引脚4(V-)短接。当采用内部时钟时，需外接一只电阻REXT，其电路接法如图1所示，电阻值与截止频率，fCUTOFF的关系是：
   
    当DIV／CLK引脚短接到V-引脚时。内部分频设置为1：1：当DIV／CLK引脚通过一只100 pF的电容接V-引脚时，内部分频设置为1：4；当DIV／CLK引脚短接到V+引脚时，内部分频设置为1：16。

3 利用LTC1569实现抗混叠滤波
3．1 低通滤波电路
    本设计要求截止频率为2 kHz，根据外接电阻和截止频率的关系得到外接电阻REXT=40 kΩ，将DIV／CLK引脚短接到V+引脚。滤波电路连接如图2所示。

    该电路采用单电源供电模式，因此V+引脚接+5 V电源，C11为电源滤波电容，以确保输入电压质量。R9和R12为分压电阻。通过分压得到GND引脚的参考电压为2 V。IN+引脚为信号输入引脚，OUT引脚为电路输出引脚，通过该滤波电路即可输出性能良好的波形。R10设置滤波器的截止频率，本设计要求截止频率为2 kHz，经计算得到R10=40 kΩ，实验中测量了不同频率下LTC1569的输入和输出幅值，如表1所示。

    由表1可以看出，当输入频率f=100 Hz、f截止=200 Hz时输出信号开始衰减，当f=f截止=2 kHz时，输出信号的幅值为输入信号的0．707倍，符合低通滤波电路的幅频特性，保证了滤波电路的截止频率为2 kHz。
    另外，信号经LTC1569输出后需加入电压跟随器。因为滤波器的输出阻抗比较高，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中，这就需电压跟随器进行缓冲，降低输出阻抗。
3．2 设计中注意事项
    应用LTC1569设计低通滤波器时，应注意以下几个问题：
    (1)该设计中，LTC1569采用内部时钟工作方式，其电路结构简单，截止频率由外接电阻决定，因此要选取精确度至少为1％的精密电阻，调试时需要按计算值做适当调整，以保证截止频率的精确。另外当采用单+5 V电源供电时，该外接电阻的阻值范围应在3．8~40 kΩ。
    (2)采用单+5 V电源供电，因此V-引脚接地，GND引脚通过分压电阻分压获得一个2 V的参考电压。GND引脚与V-引脚需要接一只1μF的电容。
    (3)信号经低通滤波器后输出波形相位通常与原来的信号不一致，输入信号与输出信号之问容易产生相移，为了消除相移而又不影响输出信号的幅值。可在滤波输出后级加等幅的移相电路。

4 实验结果分析
    根据以上分析，利用LTC1569搭建滤波电路。根据输出要求，截止频率设定为2 kHz，外接电阻阻值为40 kΩ，采用单5 V电源供电，上电后测量滤波电路的截止频率，GND引脚电压为2 V，符合LTC1569的工作要求。另外，在实验中还使用M AX291滤波器设计滤波电路，用以对比2种滤波器件的滤波效果。MAX291是八阶开关电容低通滤波器，其使用方法与LTC1569基本相同，工作电压为+5 V或者±5 V，可以采用外部时钟和内部时钟两种方式，若使用内部时钟，只需外接一只电容器。
    现采用某传感器信号作为输入信号，经设计的滤波电路后由数据采集器进行采集，得到实验结果：图3a为未使用LTC1569进行滤波采集到的信号波形，图 3b为使用LTC1569进行滤波采集到的信号波形，图3c为使用MAX291进行滤波采集到的信号波形。从图3中可以看出。使用LTC1569进行滤波后的波形比较平滑，而使用MAX291进行滤波后信号则出现严重十扰。实验证明LTC1569滤波电路对信号具有很好的滤波效果，高频噪声通过该滤波电路后可以完全滤除。但输出波形与输入波形存在相位偏移，这可以通过后置等幅相移电路进行修正。

5 结论
    LTC1569低通滤波器可广泛应用于精度要求较高的系统中，与传统有源滤波器相比，LTC1569实现抗混叠滤波器具有巨大的优势，由于它可通过一只外接电阻来设置截止频率，使用起来非常方便灵活。由此可见，LTC1569在信号调理电路中具有广泛的应用前景。