壓控濾波器方法原理

介紹了采用電源電流可連續(xù)調(diào)節(jié)的運(yùn)算放大器，實現(xiàn)壓控濾波器的方法和原理。

在語音和音樂合成領(lǐng)域，常使用壓控濾波器對產(chǎn)生的聲音信號進(jìn)行包絡(luò)整形。但由于成本高、所需外圍器件多，設(shè)計較復(fù)雜，多數(shù)此類器件不適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。實現(xiàn)壓控濾波器功能的另一途徑是采用電源電流可連續(xù)調(diào)節(jié)的運(yùn)算放大器，如美國國家半導(dǎo)體公司的LPV531型運(yùn)算放大器。該放大器的電源電流可以在1uA~400uA的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。放大器電源電流的調(diào)節(jié)可通過一個10位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC101S101進(jìn)行。在該方案中，放大器的增益帶寬是電源電流的函數(shù)。圖1顯示了LPV531的電源電流對其增益帶寬和相位裕度的影響。

壓控濾波器LPV531及DAC101S101的特點

LPV531是美國國家半導(dǎo)體的一款可編程、CMOS輸入、軌到軌輸出的微功率運(yùn)算放大器。僅借助一只外置電阻即可實現(xiàn)對LPV531的增益帶寬調(diào)節(jié)和功率級別調(diào)節(jié)。通過改變外置電阻上的偏壓即可使LPV531在待機(jī)和滿功率模式之間進(jìn)行切換。該運(yùn)算放大器工作在最低頻率73KHz時的功耗僅為5uA，工作在最高頻率4.6MHz時的功耗僅為425uA。

輸入偏置電壓相對比較獨(dú)立，不會受到功率級別選擇的影響。LPV531采用了CMOS輸入級，輸入偏置電流僅有50fA，共模輸入電壓范圍可從負(fù)電壓到正電源電壓以下1.2V。同時，LPV531軌到軌的AB類輸出階使其在低電源電壓時也可以提供最大的動態(tài)范圍。在此方案中采用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)放大器的電源電流，DAC101S101是美國國家半導(dǎo)體公司的一款全功能通用10位電壓輸出型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。它使用單電源供電，電壓范圍為2.7V~5.5V，在3.6V工作電壓時的電流僅為175uA。片上的輸出放大器使其輸出軌到軌擺幅。在規(guī)定的電源電壓范圍內(nèi)，其三線串行接口的時鐘頻率可高達(dá)30MHz。DAC101S101串行接口兼容SPI、QSPI、MICROWIRE、以及DSP標(biāo)準(zhǔn)。

壓控濾波器電源電流的控制

LPV531的總電源電流由流出ISEL控制引腳的電流進(jìn)行動態(tài)控制(圖2)。電源電流隨ISEL線性變化，比ISEL電流高40倍。內(nèi)部相對于電源負(fù)極的110mV參考電壓以及一個11k歐姆的內(nèi)部電阻決定了在ISEL引腳連接到電源負(fù)極時所能輸出的最大電流。在ISEL引腳和電源負(fù)極之間串入額外的阻抗將降低ISEL引腳的輸出電流。用下式可計算出電源電流的近似值：

為了實現(xiàn)一個電壓控制的濾波器，必須把ISEL電流設(shè)計成依賴于電壓而不是電阻。

壓控濾波器實現(xiàn)方法及原理

圖3顯示了利用DAC101S101和LPV531組成電壓控制濾波器的電路圖。圖中使用了10位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC101S101構(gòu)成的電壓源和一個電阻分壓器來控制LPV531的ISEL引腳電流。從DAC101S101輸出的電壓通過由RSET1和RSET2組成的電阻分壓器施加到ISEL引腳。電阻分壓器的分壓比設(shè)為可把數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器0~5V輸出變?yōu)榧拥絀SEL引腳0.0~0.11V電壓。這樣運(yùn)算放大器LPV531的-3dB頻率就可以由施加到其ISEL引腳上的電壓來控制。

當(dāng)控制電壓幾乎為0V時，ISEL電流由RSET1和RSET2的并聯(lián)電阻確定。當(dāng)控制電壓大于零時，ISEL的電流由ISEL引腳的戴維南(Thevenin)等效電壓和阻抗確定。下式可用來計算放大器的電源電流：通常假設(shè)RSET1遠(yuǎn)小于RSET2。這種情況下，控制電壓為0V時，ISEL電流的最大值主要由電阻RSET1確定。此外，ISEL的電流小于10uA，與電壓源電流相比很小。 圖3顯示了LVP531用作單位增益緩沖器的情況。在這類應(yīng)用中，為了適應(yīng)輸入和輸出的信號水平，也可以把運(yùn)算放大器接成帶有一定增益的反相或非反相的放大器模式。圖4和圖5分別是控制電壓為0.5V和3.0V時的開環(huán)增益相位圖。

VCF允許其截止頻率和Q因子（截止頻率下的諧振）連續(xù)變化;信號輸出可以包括低通響應(yīng)，高通響應(yīng)，帶通響應(yīng)和陷波響應(yīng)。濾波器可以提供可變斜率，其確定帶通外的衰減速率，通常為6dB /倍頻程，12dB /倍頻程（'2極'濾波器）或24dB /倍頻程（'4極'濾波器）。這也因Q而異。

在模塊化模擬合成器中，濾波器接收來自信號源的信號輸入，包括振蕩器和噪聲，或其他處理器的輸出。通過改變截止頻率，儀器通過或衰減部分。

在一些流行的電子音樂風(fēng)格中，“濾波器掃描”已成為常見的效果。通過改變VCF的截止頻率（有時非常慢）來創(chuàng)建這些掃描。通過瞬態(tài)電壓控制（例如包絡(luò)發(fā)生器）來控制截止，尤其是具有相對快速的攻擊設(shè)置，可以模擬自然或聲學(xué)儀器的攻擊瞬變。

歷史上，VCF包括可變反饋，其在截止頻率處產(chǎn)生響應(yīng)峰值（Q）。該峰值可能非常突出，并且當(dāng)濾波器的頻率被控制掃描時，輸入信號中存在的部分諧振。一些濾波器旨在提供足夠的反饋以進(jìn)入振蕩，并且它可以用作正弦波源。

ARP儀器制造了一個多功能電壓控制濾波器模塊，能夠在大于100的Q值下穩(wěn)定工作;像電顫琴棒一樣響起來可能是令人震驚的。 Q是電壓可控的，部分是通過面板安裝的控制。它的內(nèi)部電路是一個典型的模擬計算機(jī)狀態(tài)變量“循環(huán)”，它提供正交輸出。

VCF是有源非線性濾波器的一個示例：但是，如果其控制電壓保持不變，它將表現(xiàn)為線性濾波器。

• 電子濾波器

• 非線性濾波器

• 自振蕩

• 減法合成

• 壓控放大器

• 壓控振蕩器

輸電和配電系統(tǒng)是運(yùn)行在固定頻率的正弦波電壓和電流波形下，但是當(dāng)非線性負(fù)荷—如晶閘管整流器、變頻器和電弧爐接入系統(tǒng)后，會產(chǎn)生大量的諧波電流，從而導(dǎo)致電壓和電流的畸變，諧波濾波器是抑制電網(wǎng)電壓和電流畸變的最好辦法 ，諧波濾波器使電力電源更加強(qiáng)壯。

諧波畸變

諧波畸變問題正日益增長為公共問題，具有諷刺意味的是諧波的產(chǎn)生可以追溯到“電子革命”。現(xiàn)代電力電子控制設(shè)備比傳統(tǒng)控制有很多優(yōu)勢，被廣泛地用于工業(yè)系統(tǒng)，但是它最大的弊端就是也會產(chǎn)生大量的諧波。

問題主要由3次、5次、7次、11次和13次諧波引起。

高頻諧波電流常常會產(chǎn)生意想不到的問題：會使變壓器、電纜和其它電力元件產(chǎn)生附加熱損耗；造成控制、保護(hù)和測量系統(tǒng)的功能異常，通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)也因此受到諧波干擾。

當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)有無功補(bǔ)償電容器時問題尤其嚴(yán)重，因電容器組和系統(tǒng)自身的電感可能在某個諧波頻率下形成并聯(lián)諧振回路，造成諧波的放大，使諧波電壓超過了大多數(shù)應(yīng)用場合的允許值。

隨著無功功率電費(fèi)的增加，采用無功補(bǔ)償變?yōu)榻?jīng)濟(jì)上的必要。無功補(bǔ)償設(shè)備的投資通過減少電費(fèi)成本僅在12~36個月就可以收回。在許多國家，涉及供電質(zhì)量的法規(guī)都嚴(yán)格規(guī)定了畸變量的允許值限制。

濾波器保持系統(tǒng)“純凈”

諧波濾波器組是解決電壓、電流畸變問題的最佳方案。由電容器、電抗器和電阻組成的濾波器回路向諧波提供了一個電網(wǎng)以外的低阻抗通道，畸變可以減小到一個要求的水平?？梢圆捎脝握{(diào)諧、雙調(diào)諧和高通濾波器組。對于基波頻率（50或60Hz）來說，濾波器如同電容器向電網(wǎng)提供無功功率，是一個傳統(tǒng)意義上的電容器組 。

反映直流濾波器元件的過電壓,為直流濾波器免受過應(yīng)力影響的保護(hù)。