壓控濾波器簡介

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，高通響應，帶通響應和陷波響應。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（例如包絡發(fā)生器）來控制截止，尤其是具有相對快速的攻擊設置，可以模擬自然或聲學儀器的攻擊瞬變。

歷史上，VCF包括可變反饋，其在截止頻率處產(chǎn)生響應峰值（Q）。該峰值可能非常突出，并且當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。

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

在語音和音樂合成領域，常使用壓控濾波器對產(chǎn)生的聲音信號進行包絡整形。但由于成本高、所需外圍器件多，設計較復雜，多數(shù)此類器件不適合嵌入式系統(tǒng)應用。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)的運算放大器，如美國國家半導體公司的LPV531型運算放大器。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是美國國家半導體的一款可編程、CMOS輸入、軌到軌輸出的微功率運算放大器。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在待機和滿功率模式之間進行切換。該運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30MHz。DAC101S101串行接口兼容SPI、QSPI、MICROWIRE、以及DSP標準。

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引腳連接到電源負極時所能輸出的最大電流。在ISEL引腳和電源負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RSET1遠小于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。在這類應用中，為了適應輸入和輸出的信號水平，也可以把運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。

• 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)是運行在固定頻率的正弦波電壓和電流波形下，但是當非線性負荷—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”?，F(xiàn)代電力電子控制設備比傳統(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、保護和測量系統(tǒng)的功能異常，通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡也因此受到諧波干擾。

當電網(wǎng)內(nèi)有無功補償電容器時問題尤其嚴重，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)應用場合的允許值。

隨著無功功率電費的增加，采用無功補償變?yōu)榻?jīng)濟上的必要。無功補償設備的投資通過減少電費成本僅在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。可以采用單調(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力影響的保護。