利用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)數(shù)控低通濾波器

摘要：數(shù)字電位器是一種應(yīng)用普遍的器件，本文介紹如何使用數(shù)字電位器構(gòu)建一個(gè)可調(diào)帶寬的低通濾波器。

一種簡(jiǎn)單的低通濾波器

圖1所示是用DS3903構(gòu)成的音頻低通濾波器。該電路設(shè)計(jì)采用單電源供電，電源電壓范圍2.7V至5.5V。包含一級(jí)前置衰減，5.0V供電時(shí)可處理5.0VP-P (1.77VRMS)輸入。為了產(chǎn)生一個(gè)雙極點(diǎn)(極點(diǎn)在同一頻點(diǎn))低通濾波器(每十倍頻程衰減12dB)，電容C3必須是C2的兩倍以上，可變電阻POT0和POT1設(shè)置在相同值，截止頻率(fC)的計(jì)算公式如下：



其中RPOT是可變電阻POT0和POT2設(shè)置對(duì)應(yīng)的電阻值。


圖1. 用DS3903構(gòu)成的音頻低通濾波器

電路的輸入部分(C1、U1-POT1、U2A、R1和R2)是音量控制電路，它還用于將音頻信號(hào)的直流偏置到VCC/2，使信號(hào)可以在不被鉗位的條件下通過數(shù)字電位器和運(yùn)放。任何供電電源下，電路能夠處理最大信號(hào)擺幅，因此，該設(shè)計(jì)能夠很好地工作在2.7V至5.5V VCC。輸出直流電平保持在VCC/2，除非電路工作在正常輸出以外，是電平偏移到不同的工作點(diǎn)。

對(duì)于已經(jīng)限定工作范圍的應(yīng)用，可以去掉輸入級(jí)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(hào)只是經(jīng)過截止頻率為fC的雙極點(diǎn)濾波器濾波后的信號(hào)，輸入信號(hào)的直流成分將直接旁路到輸出端。

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以設(shè)置到500kHz。

用于計(jì)算RPOT的數(shù)字電阻模型如圖2所示，對(duì)于指定位置，相應(yīng)的開關(guān)將閉合而其它位置的開關(guān)開路。電位器每遞增一個(gè)單元位置，電阻將相應(yīng)增加1 LSB (對(duì)DS3903，10kΩ/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，會(huì)引起非線性。可通過下式計(jì)算RPOT：



其中：

• RLSB是數(shù)據(jù)資料電氣參數(shù)表中的端到端電阻除以抽頭數(shù)(a)。
• RW是數(shù)據(jù)資料電氣參數(shù)表中的滑動(dòng)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給出了DS3903 10kΩ電位器的RPOT電阻值與抽頭位置的關(guān)系圖，該圖假定端到端電阻為10kΩ ，滑動(dòng)端電阻最小值是500Ω。這兩個(gè)參數(shù)都會(huì)對(duì)濾波特性產(chǎn)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(shí)際截止頻率可以在最小值和最大值之間調(diào)節(jié)，選擇適當(dāng)?shù)碾娙葜导纯蓪⒔刂诡l率設(shè)置在可調(diào)范圍內(nèi)所要求的頻點(diǎn)。


圖2. 數(shù)字電位器的電阻模型


圖3.

利用Audio Precision?測(cè)試設(shè)備對(duì)圖1電路進(jìn)行測(cè)試，可以得到圖4至圖6所示的衰減特性和THD+N性能。


圖4.


圖5.


圖6.

數(shù)字電位器設(shè)計(jì)考慮

為濾波電路選擇數(shù)字電位器時(shí)需要考慮幾個(gè)因素。

使用數(shù)字電位器的最大限制是電位器端點(diǎn)的電壓，通常該電壓必須保持在VCC和GND之間，以避免ESD結(jié)構(gòu)內(nèi)部的二極管將音頻信號(hào)鉗位。當(dāng)VCC在規(guī)定的范圍內(nèi)(2.7V到5.5V)時(shí)，DS3903的ESD結(jié)構(gòu)允許輸入信號(hào)介于6V與GND之間，這一特性對(duì)于要求輸入信號(hào)大于VCC的應(yīng)用非常靈活。但是，在圖1所示電路中并未處理6VP-P信號(hào)，因?yàn)檫\(yùn)放電源低于6V時(shí)將會(huì)鉗位信號(hào)。如果運(yùn)算放大器能夠用更高的電壓供電，即可使用DS3903的大信號(hào)處理功能。

電位器抽頭的變化形式(線性或?qū)?shù))決定了電路截止頻率的線性調(diào)節(jié)或?qū)?shù)調(diào)節(jié)形式。對(duì)于圖1所示音頻范圍的濾波電路，為保證在40Hz與800Hz之間提供盡可能多的截止頻率設(shè)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(diào)節(jié)精度，抽頭數(shù)越多，截止頻率的調(diào)節(jié)精度也越高。對(duì)于音頻應(yīng)用，不太可能使用64或128抽頭以上的電位器來設(shè)置低通濾波器的截止頻率。對(duì)于寬帶應(yīng)用可能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(chǔ)，能夠在沒有電源供電時(shí)保持抽頭位置。這種特性可用于保存校準(zhǔn)后的濾波器位置，而在上電時(shí)不再調(diào)整濾波器設(shè)置。易失電位器總是從一個(gè)預(yù)置位置啟動(dòng)，電路在被修改之前將一直保持默認(rèn)位置。

數(shù)字電位器的端到端電阻和滑動(dòng)電阻具有較寬的公差，圖1所示電路中的兩個(gè)電阻(POT0和POT2)則保持相等，因?yàn)檫@兩個(gè)電阻制作在同一硅片上。電位器的實(shí)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(duì)值基本保持穩(wěn)定。

另外，數(shù)字電位器內(nèi)部也具有一定的寄生電容，這會(huì)限制最大截止頻率。截止頻率大于500kHz時(shí)，不推薦使用10kΩ的數(shù)字電位器，也不建議將50kΩ數(shù)字電位器用于100kHz以上的設(shè)計(jì)或?qū)?00kΩ的數(shù)字電位器用于50kHz以上的設(shè)計(jì)。對(duì)于音頻應(yīng)用，所選擇的電位器能夠提供足夠的帶寬，但對(duì)于寬帶應(yīng)用，必須慎重考慮這一因素。

運(yùn)放選擇

該電路對(duì)于運(yùn)算放大器的主要設(shè)計(jì)考慮是最小穩(wěn)定增益和輸入、輸出電壓擺幅。輸入級(jí)接收信號(hào)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(yùn)算放大器，以處理接近電路供電電壓的輸入信號(hào)。

結(jié)論

數(shù)字電位器可用來構(gòu)建數(shù)控低通濾波器，本文中的雙極點(diǎn)濾波器能夠在音頻應(yīng)用中提供良好的性能，選擇不同的電容、電位器值可以調(diào)整濾波器的截止頻率，最高可達(dá)500kHz。