应用笔记 3077

利用数字电位器实现数控低通滤波器


摘要 : 数字电位器是一种应用普遍的器件,本文介绍如何使用数字电位器构建一个可调带宽的低通滤波器。

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:

公式1.

其中RPOT是可变电阻POT0和POT2设置对应的电阻值。

图1. 用DS3903构成的音频低通滤波器.
图1. 用DS3903构成的音频低通滤波器

电路的输入部分(C1、U1-POT1、U2A、R1和R2)是音量控制电路,它还用于将音频信号的直流偏置到VCC/2,使信号可以在不被钳位的条件下通过数字电位器和运放。任何供电电源下,电路能够处理最大信号摆幅,因此,该设计能够很好地工作在2.7V至5.5V VCC。输出直流电平保持在VCC/2,除非电路工作在正常输出以外,是电平偏移到不同的工作点。

对于已经限定工作范围的应用,可以去掉输入级电路,采用直接耦合的方式连接到滤波器。去掉输入电路后,输出信号只是经过截止频率为fC的双极点滤波器滤波后的信号,输入信号的直流成分将直接旁路到输出端。

更改电容或选择不同端到端电阻的数字电位器,该电路的截止频率可以设置到500kHz。

用于计算RPOT的数字电阻模型如图2所示,对于指定位置,相应的开关将闭合而其它位置的开关开路。电位器每递增一个单元位置,电阻将相应增加1 LSB (对DS3903,10kΩ/128 = 78Ω),最高抽头位置除外,最高抽头位置为电位器电阻的并联组合,会引起非线性。可通过下式计算RPOT

公式2.

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2. 数字电位器的电阻模型
图2. 数字电位器的电阻模型

图3.
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图6所示的衰减特性和THD+N性能。

图4.
图4.

图5.
图5.

图6.
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。