用数字电位器实现数控低通滤波器

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                    　　一种简单的低通滤波器
　　图1所示是用DS3903构成的音频低通滤波器。该电路设计采用单电源供电，电源电压范围2.7V至5.5V。包含一级前置衰减，5.0V供电时可处理5.0VP-P (1.77VRMS)输入。为了产生一个双极点(极点在同一频点)低通滤波器(每十倍频程衰减12dB)，电容C3必须是C2的两倍以上，可变电阻POT0和POT1设置在相同值，截止频率(fC)的计算公式如下：


　　其中RPOT是可变电阻POT0和POT2设置对应的电阻值。



　　其中：
　　RLSB是数据资料电气参数表中的端到端电阻除以抽头数(a)。
　　RW是数据资料电气参数表中的滑动端电阻。
　　n是电位器的编程位置。
　　a是数字电位器的总抽头数。
　　图3给出了DS3903 10kΩ电位器的RPOT电阻值与抽头位置的关系图，该图假定端到端电阻为10kΩ ，滑动端电阻最小值是500Ω。这两个参数都会对滤波特性产生显著影响，但主要影响的是截止频率的最小值和最大值，实际截止频率可以在最小值和最大值之间调节，选择适当的电容值即可将截止频率设置在可调范围内所要求的频点。



　　图3.
　　利用Audio PrecisiON?测试设备对图1电路进行测试，可以得到图4至图6所示的衰减特性和THD+N性能。



　　图5.



　　图6.
　　数字电位器设计考虑
　　为滤波电路选择数字电位器时需要考虑几个因素。
　　使用数字电位器的最大限制是电位器端点的电压，通常该电压必须保持在VCC和GND之间，以避免ESD结构内部的二极管将音频信号钳位。当VCC在规定的范围内(2.7V到5.5V)时，DS3903的ESD结构允许输入信号介于6V与GND之间，这一特性对于要求输入信号大于VCC的应用非常灵活。但是，在图1所示电路中并未处理6VP-P信号，因为运放电源低于6V时将会钳位信号。如果运算放大器能够用更高的电压供电，即可使用DS3903的大信号处理功能。
　　电位器抽头的变化形式(线性或对数)决定了电路截止频率的线性调节或对数调节形式。对于图1所示音频范围的滤波电路，为保证在40Hz与800Hz之间提供尽可能多的截止频率设置，采用线性电位器比较合适。
　　电位器的分辨率(如128或256抽头)决定了截止频率的调节精度，抽头数越多，截止频率的调节精度也越高。对于音频应用，不太可能使用64或128抽头以上的电位器来设置低通滤波器的截止频率。对于宽带应用可能要求更多的电位器抽头。
　　一些数字电位器采用非易失存储，能够在没有电源供电时保持抽头位置。这种特性可用于保存校准后的滤波器位置，而在上电时不再调整滤波器设置。易失电位器总是从一个预置位置启动，电路在被修改之前将一直保持默认位置。
　　数字电位器的端到端电阻和滑动电阻具有较宽的公差，图1所示电路中的两个电阻(POT0和POT2)则保持相等，因为这两个电阻制作在同一硅片上。电位器的实际阻值差别较大，通常端到端电阻的变化范围是±20%，但它们的相对值基本保持稳定。
　　另外，数字电位器内部也具有一定的寄生电容，这会限制最大截止频率。截止频率大于500kHz时，不推荐使用10kΩ的数字电位器，也不建议将50kΩ数字电位器用于100kHz以上的设计或将100kΩ的数字电位器用于50kHz以上的设计。对于音频应用，所选择的电位器能够提供足够的带宽，但对于宽带应用，必须慎重考虑这一因素。
　　运放选择
　　该电路对于运算放大器的主要设计考虑是最小稳定增益和输入、输出电压摆幅。输入级接收信号并将其偏置在VCC/2直流电平，滤波器本身是单位增益放大器。为保证可靠工作，放大器必须是单位增益稳定；另外，还需选择具有满摆幅输入、输出的运算放大器，以处理接近电路供电电压的输入信号。
　　结论
　　数字电位器可用来构建数控低通滤波器，本文中的双极点滤波器能够在音频应用中提供良好的性能，选择不同的电容、电位器值可以调整滤波器的截止频率，最高可达500kHz。
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