CN106374871A - 一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器，其特征在于：基于两片有源RC四通道滤波器芯片LTC1562IG‑2，外置阻容器件，通过串联8个二阶RC有源带通滤波器组成一个16阶有源带通滤波器，实现中心工作频率100kHz，3dB带宽20kHz，40dB带宽小于40kHz的巴特沃兹型频响特性带通滤波器。本发明将有源带通滤波器应用于长波授时接收机系统中，进一步提高长波授时接收机的系统稳定性和噪声系数，以及对带外信号的抗干扰性能。

Description

一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器

技术领域

本发明涉及专用无线通信行业，是一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器，可以用于长波授时接收机的天线输入信号频率滤波。

背景技术

滤波器是通信系统中最常用的器件之一，广泛应用于电子工程、通信设备、自动控制、仪器仪表等技术领域，是现代任何一种通信系统中必不可少的部分。滤波器的种类很多，不同的类型都有其各自的特点，按照滤波器的性能指标分，有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器，按照滤波器的传输函数类型来分，有巴特沃兹函数、切比雪夫函数、椭圆函数、高斯类函数滤波器，从元器件特性来分，又有无源滤波器和有源滤波器，

发明内容

本发明目的是：提供一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器，将有源带通滤波器应用于长波授时接收机系统中，进一步提高长波授时接收机的系统稳定性和噪声系数，以及对带外信号的抗干扰性能。如果长波接收机的射频前端没有较好的频率选择性，就会让一些噪声或干扰信号进入接收机射频通道，产生交调失真，通道堵塞等问题，影响长波授时信号的正常接收和解调。

本发明的技术方案是：一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器，基于两片有源RC四通道滤波器芯片LTC1562IG-2，外置阻容器件，通过串联8个二阶RC有源带通滤波器组成一个16阶有源带通滤波器，实现中心工作频率100kHz，3dB带宽20kHz，40dB带宽小于40kHz的巴特沃兹型频响特性带通滤波器。

进一步的，所述8个二阶RC有源滤波器分别由七个二阶带通滤波器和一个二阶高通滤波器组成。

进一步的，两片有源RC四通道滤波器芯片LTC1562IG-2内部共集成有8个由双运放和精密电容组成的电路，每个由双运放和精密电容组成的电路通过三个外接端口V1、V2和INV外接一个二阶RC有源带通滤波器；

第一到第七级二阶带通滤波器包括电阻Rinx、电阻R2x和电阻RQx，x＝1～7；电阻Rinx一端作为第x级二阶带通滤波器的输入端，一端分别连接端口INV、电阻R2x一端和电阻RQx一端，电阻R2x另一端连接端口V2，电阻RQx另一端连接端口V1，且端口V1作为第x级二阶带通滤波器的输出端；

第八级二阶高通滤波器包括电容Cin8、电阻R28和电阻RQ8；电容Cin8一端作为第8个二阶带通滤波器的输入端，一端分别连接端口INV、电阻R28一端和电阻RQ8一端，电阻R28另一端连接端口V2，电阻RQ8另一端连接端口V1，且端口V1作为第八级二阶高通滤波器的输出端；

输入有源带通滤波器的长波信号首先通过隔直电容C1，经过隔直的长波信号进入由Rin1、RQ1、R21、N1组成的第一级带通滤波器，再分别经过Rin2、RQ2、R22、N1组成的第二级带通滤波器，Rin3、RQ3、R23、N1组成的第三级带通滤波器，Rin4、RQ4、R24、N1组成的第四级带通滤波器，Rin5、RQ5、R25、N2组成的第五级带通滤波器，Rin6、RQ6、R26、N2组成的第六级带通滤波器，Rin7、RQ7、R27、N2组成的第七级带通滤波器，Cin8、RQ8、R28、N2组成的第八级高通滤波器，最终经过隔直电容C2输出，实现中心工作频率100kHz，3dB带宽20kHz，40dB带宽小于40kHz的巴特沃兹型频响特性。

进一步的，令电阻R2x和电阻R28为电阻R2，电阻R2决定每个二阶RC有源滤波器的中心频率fo，计算公式如下：

$fo=\frac{1}{2\mathrm{\π}C\sqrt{\left(R1\right)R2}}=\left(\sqrt{\frac{7958\mathrm{\Ω}}{R2}}\right)\left(200kHz\right)$

其中：R1和C集成在滤波器芯片内部，R1＝7958Ω，C＝100pF。

进一步的，令电阻RQx和电阻RQ8为电阻RQ，电阻RQ决定每个二阶RC有源滤波器的Q值，计算公式如下：

$Q=\frac{RQ}{\sqrt{\left(R1\right)R2}}=\frac{RQ}{\sqrt{\left(7958\mathrm{\Ω}\right)R2}}=\frac{RQ}{R2}\left(\frac{200kHz}{fo}\right)$

其中：R1和C集成在滤波器芯片内部，R1＝7958Ω，C＝100pF。

进一步的，

本发明的有益效果是：

本发明的滤波器是一种巴特沃兹函数型有源带通滤波器。

本发明的带通滤波器是一种有源滤波器，它不同于无源滤波器，是由无源元器件电阻(R)、电容(C)和专用有源RC滤波器芯片构成。其具有很多独特的特点，因为不需要用到电感等元器件，所以没有电感固有的非线性特性，也没有磁场泄漏，不需要对电路进行磁场屏蔽，降低了滤波器对其他电路的干扰，缩小了体积，降低了成本和重量。因为电路内部有有源运算放大器，滤波器也没有插入损耗，减轻了放大部分电路的负担。由于滤波器具有输入电阻高，输出阻抗低的特点，非常有利于前后级电路的匹配。整个滤波器电路没有需要调整的可调元器件，在设计定型后，批量生产中不需要花费大量时间用于调测，生产调试工艺简单，效率高，使用可靠故障率低，非常适用于大批量生产应用。

本发明的有源带通滤波器是工作在长波授时频段的，按照长波授时信号的带宽特性进行的优化设计，可以用于长波授时接收机的天线输入信号频率滤波，对从天线接收到的外部空间杂乱长波频段信号进行有用频率的筛选，把需要的信号选出来，抑制掉不需要的噪声和干扰信号，有利于接收机后端信号放大和采样电路更稳定的工作和更有效率的处理有用频率信号。而且该滤波器是通过有源RC电路实现，没有输入插损，不会对减小输入小信号的幅度，基本不会恶化天线接收到的微弱信号的信噪比，还可以改善接收机的通道增益，降低放大部分电路的负担，对提高长波授时接收机的灵敏度和抗干扰能力都有较大的作用。

附图说明

图1为有源带通滤波器电路图；

图2为二阶RC有源滤波器通用结构图；

图3为二阶RC带通滤波器结构图；

图4为二阶RC高通滤波器结构图；

图5为软件FilterCAD设计主界面；

图6为有源带通滤波器频响图；

图7为第一级带通滤波器输出频响图；

图8为第二级带通滤波器输出频响图；

图9为第三级带通滤波器输出频响图；

图10为第四级带通滤波器输出频响图；

图11为第五级带通滤波器输出频响图；

图12为第六级带通滤波器输出频响图；

图13为第七级带通滤波器输出频响图；

图14为第八级带通滤波器输出频响图。

具体实施方式

本发明基于两片低噪声、低失真有源RC四通道滤波器芯片LTC1562IG-2，外置阻容器件，通过串联8个二阶RC有源带通滤波器组成一个16阶有源带通滤波器，实现中心工作频率100kHz，3dB带宽20kHz，40dB带宽小于40kHz的巴特沃兹型频响特性带通滤波器，具体电路如图1所示，由两个滤波器主芯片和外围RC网络组成。图中的每个二阶RC有源滤波器都具有相同的网络结构，如图2所示，虚线框中的双运放和精密电容被集成进滤波器主芯片内，外置的Zin、R_Q、R2决定了单个二阶滤波器的频响特性和增益，当Zin是电阻时，可以实现带通或低通滤波器，当Zin是电容时，可以实现高通或带通滤波器，具体哪种频响还需要有输出方式决定，可详见表2。

图1中，输入有源带通滤波器的长波信号首先通过隔直电容C1，阻断滤波器与外部的直流成分，以避免外部直流电平影响滤波器的直流工作状态，经过隔直的长波信号进入由Rin1、RQ1、R21、N1组成的第一级带通滤波器，再分别经过Rin2、RQ2、R22、N1组成的第二级带通滤波器，Rin3、RQ3、R23、N1组成的第三级带通滤波器，Rin4、RQ4、R24、N1组成的第四级带通滤波器，Rin5、RQ5、R25、N2组成的第五级带通滤波器，Rin6、RQ6、R26、N2组成的第六级带通滤波器，Rin7、RQ7、R27、N2组成的第七级带通滤波器，Cin8、RQ8、R28、N2组成的第八级高通滤波器，最终经过隔直电容C2输出，实现如图6的带通频响特性。

图1中：

1是第一级带通滤波器电路；

2是第二级带通滤波器电路；

3是第三级带通滤波器电路；

4是第四级带通滤波器电路；

5是第五级带通滤波器电路；

6是第六级带通滤波器电路；

7是第七级带通滤波器电路；

8是第八级带通滤波器电路；

9是第一组8个二阶RC有源带通滤波器电路；

10是第二组8个二阶RC有源带通滤波器电路。

本发明的长波授时频段有源带通滤波器由两组8个二阶RC有源带通滤波器组成，工作中心频率和带宽等技术指标专门针对长波授时信号的频谱特征来设计和优化，以适应长波接收机从天线接收的空间信号中提取有用的长波信号，并能最大效率的放大和数字采样处理。

有源带通滤波器的中心工作频率依据长波授时信号的载波频率设计为100kHz，考虑到高低温环境对元器件阻容值的影响，3dB带宽进行了余量设计以适应全工作温度范围内，不会因为高低温频率偏移而将有用信号滤除，影响接收机长波授时信号的正常接收和可靠工作，最终3dB带宽设计为20kHz。通过在Linear公司提供的滤波器设计软件FilterCAD上多次仿真后，确定选用巴特沃兹型16阶带通滤波器是最优的电路方式，可以在中心频率和带宽已定的情况下实现最优矩形系数。

表1

序号	名称	阻容值	并联电阻1	并联电阻2
					1	Rin1	165kΩ	180kΩ	2MΩ
2	RQ1	75kΩ	75kΩ	NC
					3	R21	35.7kΩ	36kΩ	4.3MΩ
4	Rin2	196kΩ	220kΩ	1.8MΩ
					5	RQ2	309kΩ	430kΩ	1.1MΩ
6	R22	27.4kΩ	33kΩ	160kΩ
					7	Rin3	46.4kΩ	47kΩ	3.6MΩ
8	RQ3	93.1kΩ	130kΩ	330kΩ
					9	R23	38.3kΩ	39kΩ	2.2MΩ
10	Rin4	121kΩ	220kΩ	270kΩ
					11	RQ4	118kΩ	120kΩ	7.5MΩ
12	R24	28kΩ	30kΩ	430kΩ
					13	Rin5	46.4kΩ	47kΩ	3.6MΩ
14	RQ5	143kΩ	150kΩ	3.3MΩ
					15	R25	40.2kΩ	43kΩ	620kΩ
16	Rin6	80.6kΩ	82kΩ	4.7MΩ
					17	RQ6	80.6kΩ	82kΩ	4.7MΩ
18	R26	30.1kΩ	33kΩ	510kΩ
					19	Rin7	68.1kΩ	75kΩ	750kΩ
20	RQ7	412kΩ	430kΩ	10MΩ
					21	R27	42.2kΩ	43kΩ	2.4MΩ
22	Cin8	33pF	/	/
					23	RQ8	71.5kΩ	82kΩ	560kΩ
24	R28	32.4kΩ	33kΩ	1.8MΩ

FilterCAD软件滤波器设置界面如图5所示，根据滤波器的各项指标要求，分别设置软件中滤波器类型、中心频率、通带带宽、阻带带宽、频响类型和阶数等参数后，生成电路程式和器件值，电路程式如图1所示，器件参数值如表1所示，由于大部分电阻的阻值在百一或百五精度系列里是无法找到的，为了提高电路实现的合理性和器件的通用性，采用了两个最常规的百五电阻并联等效的方式，提高可生产性和降低物料成本，具体电阻取值可参见表1。

本发明有源带通滤波器的8个二阶RC有源滤波器分别由七个二阶带通滤波器和一个二阶高通滤波器组成，1～7二阶RC有源带通滤波器的电路结构如图3所示，图中左边是电路的原理结构，右边是带通滤波器的频响示意图，第8个二阶RC有源高通滤波器的电路结构如图4所示，图中左边是电路的原理结构，右边是高通滤波器的频响示意图。

图3和图4中：

11是滤波器芯片内部集成的有源运放和精密电容；

12是二阶RC有源滤波器输入电阻Rin或电容Cin，主要用于确定滤波器的类型，具体见表2，本发明中带通滤波器为电阻输入V1输出方式频响，高通滤波器为电容输入V1输出方式频响；

表2

Zin类型	V1输出频响	V2输出频响
			R	带通滤波器	低通滤波器
C	高通滤波器	带通滤波器

13是二阶RC有源滤波器电阻R2，该电阻决定每个二阶RC滤波器的中心频率fo，计算公式如下：

$fo=\frac{1}{2\mathrm{\π}C\sqrt{\left(R1\right)R2}}=\left(\sqrt{\frac{7958\mathrm{\Ω}}{R2}}\right)\left(200kHz\right)$

R1和C集成在滤波器芯片内部，R1＝7958Ω，C＝100pF。

14是二阶RC有源滤波器电阻RQ，该电阻决定每个二阶RC滤波器的Q值，计算公式如下：

$Q=\frac{RQ}{\sqrt{\left(R1\right)R2}}=\frac{RQ}{\sqrt{\left(7958\mathrm{\Ω}\right)R2}}=\frac{RQ}{R2}\left(\frac{200kHz}{fo}\right)$

R1和C集成在滤波器芯片内部，R1＝7958Ω，C＝100pF。

15是二阶RC有源带通滤波器和高通滤波器频率响应图。

经过对滤波器参数配置，带宽和阶数优化仿真设计，最终完成滤波器设计电路图如图1所示，电路各元器件参数如表1所示，并用常规百五系列电阻并联等价的方式替代不规则阻值器件，实现易生产、低成本的优点。仿真出的各个二阶输出频响图如图7～图14，从图中可以看出，有源带通滤波器的频响特性逐步改善和优化的过程，带内变的越来越平坦，带外抑制能力越来越强，抑制度越来越高，矩形系数越来越好，直至实现最终的频响输出，在长波授时接收机的实际应用中，为设备的抗带外干扰，接收灵敏度，互调等指标作出了较大贡献，保证了长波授时信号的正常接收。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器，其特征在于：基于两片有源RC四通道滤波器芯片LTC1562IG-2，外置阻容器件，通过串联8个二阶RC有源带通滤波器组成一个16阶有源带通滤波器，实现中心工作频率100kHz，3dB带宽20kHz，40dB带宽小于40kHz的巴特沃兹型频响特性带通滤波器。

2.根据权利要求1所述的一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器，其特征在于：所述8个二阶RC有源滤波器分别由七个二阶带通滤波器和一个二阶高通滤波器组成。

3.根据权利要求2所述的一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器，其特征在于：两片有源RC四通道滤波器芯片LTC1562IG-2内部共集成有8个由双运放和精密电容组成的电路，每个由双运放和精密电容组成的电路通过三个外接端口V1、V2和INV外接一个二阶RC有源带通滤波器；

第一到第七级二阶带通滤波器包括电阻Rinx、电阻R2x和电阻RQx，x＝1～7；电阻Rinx一端作为第x级二阶带通滤波器的输入端，一端分别连接端口INV、电阻R2x一端和电阻RQx一端，电阻R2x另一端连接端口V2，电阻RQx另一端连接端口V1，且端口V1作为第x级二阶带通滤波器的输出端；

第八级二阶高通滤波器包括电容Cin8、电阻R28和电阻RQ8；电容Cin8一端作为第8个二阶带通滤波器的输入端，一端分别连接端口INV、电阻R28一端和电阻RQ8一端，电阻R28另一端连接端口V2，电阻RQ8另一端连接端口V1，且端口V1作为第八级二阶高通滤波器的输出端；

输入有源带通滤波器的长波信号首先通过隔直电容C1，经过隔直的长波信号进入由Rin1、RQ1、R21、N1组成的第一级带通滤波器，再分别经过Rin2、RQ2、R22、N1组成的第二级带通滤波器，Rin3、RQ3、R23、N1组成的第三级带通滤波器，Rin4、RQ4、R24、N1组成的第四级带通滤波器，Rin5、RQ5、R25、N2组成的第五级带通滤波器，Rin6、RQ6、R26、N2组成的第六级带通滤波器，Rin7、RQ7、R27、N2组成的第七级带通滤波器，Cin8、RQ8、R28、N2组成的第八级高通滤波器，最终经过隔直电容C2输出，实现中心工作频率100kHz，3dB带宽20kHz，40dB带宽小于40kHz的巴特沃兹型频响特性。

4.根据权利要求3所述的一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器，其特征在于：令电阻R2x和电阻R28为电阻R2，电阻R2决定每个二阶RC有源滤波器的中心频率fo，计算公式如下：

$fo=\frac{1}{2\mathrm{\π}C\sqrt{\left(R1\right)R2}}=\left(\sqrt{\frac{7958\mathrm{\Ω}}{R2}}\right)\left(200kHz\right)$

其中：R1和C集成在滤波器芯片内部，R1＝7958Ω，C＝100pF。

5.根据权利要求4所述的一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器，其特征在于：令电阻RQx和电阻RQ8为电阻RQ，电阻RQ决定每个二阶RC有源滤波器的Q值，计算公式如下：

$Q=\frac{RQ}{\sqrt{\left(R1\right)R2}}=\frac{RQ}{\sqrt{\left(7958\mathrm{\Ω}\right)R2}}=\frac{RQ}{R2}\left(\frac{200kHz}{fo}\right)$

其中：R1和C集成在滤波器芯片内部，R1＝7958Ω，C＝100pF。

6.根据权利要求3-5任一所述的一种应用于长波授时频段的有源带通滤波器，其特征在于：