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作者:游景鈺(2002-11-07),推薦:徐業良(2002-11-07)

MF6-100 switched-capacitor低通濾波IC性能評估

一般濾波器的形式可大致分為被動濾波器、主動濾波器、以及電閘電容式濾波器(Switched-capacitor filter),其中被動式濾波器為直接以被動元件如電阻、電容以及電桿組成的濾波電路,訊號通過此電路時得以產生濾波的效果,而主動式濾波則是加上運算放大器,達到隔離訊號源以及負載電路,使得高階濾波時電路設計較為簡單,不需考慮被動元件之間的干擾問題。電閘電容式濾波器是較新式的濾波方式,與主動、動濾波器的最大的差別在於電閘電容式濾波器是以不連續的時間點對訊號取樣,其截斷頻率的控制則是由外部輸入一時脈來控制,大部分應用於整合型高階濾波IC,使高階濾波且截斷頻率不易調整的問題得以解決,亦大幅縮小了濾波電路的複雜性以及體積,並提高濾波的精確度,此外尚可藉外部電子元件的搭配,達成高通、低通等不同濾波模組,應用範圍相當廣泛。然而小型化後,IC內部之電容值亦跟著微小化,所匹配的等效電阻值就必須提高,因此產生的熱電雜訊較一般採用優良運算放大器之主動式濾波器大。

本文即在對MF6-100 switched-capacitor低通濾波IC作一簡單介紹,並實際測試使用以初步評估其濾波性能。

1.     MF6-100 switched-capacitor低通濾波IC簡介

MF6低通濾波IC為一6階低通濾波IC,包含一Switched-capacitor六階低通濾波模組、兩個運算放大器與一個內建的時脈產生器,截斷頻率可由外部或內部產生之時脈來決定,其特點為不需外部元件、高精準度(誤差小於0.3%)、截斷頻率範圍可達0.1Hz~10kHz,表1為其基本規格,圖1為其架構示意圖

1. MF6基本規格

項目

規格

說明

工作電壓

5V~14V2.5V~7.0V

亦具備單電源模式

截斷頻率範圍

0.1Hz~10kHz5V

0.1Hz~5kHz2.5V

時脈頻率∕截斷頻率

100

為輸入之時脈

截斷頻率精確度

*0.3%

 

標準工作電流

4mA5V

2.5 mA2.5V

1. MF6 基本架構圖

2.     MF6 濾波IC使用方法

MF6濾波IC的使用方式相當容易,其基本電路亦相當簡單,以下將分別介紹其基本應用電路以及截斷頻率控制方法。

2.1  MF6基本應用電路

雙電源模式下其基本應用電路如圖2、圖3所示,並不複雜,唯需注意其正負工作電壓腳位各需並聯一電容,在不同的時脈輸入模式下需改變其他腳位的接地。單電源模式電路較為複雜,而且僅能使用CMOS相容時脈輸入。

2. 雙電源CMOS 相容時脈輸入模式電路圖

3. 雙電源TTL 相容時脈輸入模式電路圖

2.2 截斷頻率控制方式

MF6濾波IC中的6Switched-capacitor低通濾波器需藉由輸入一時脈來對應其內建的電閘,使之與其內建的電容模擬適當的電阻值,以產生適當的截斷頻率,此時脈可由MF6內建或外接之史密特觸發式震盪器產生,若需更精確的截斷頻率,則須外接TTL相容之震盪電路。圖4MF6內建之震盪電路圖,產生之震盪頻率由外接之電阻及電容值決定,藉由改變電容或電阻值即可調整輸入時脈,進而調整截斷頻率,其計算公式如下:

                                                                   (1)

Vcc時,

4. MF6內建之震盪電路圖

3.     MF6濾波IC實際測試

測試實驗之對照組應用Matlab Simulink內建之6butterworth濾波器元件,並建構即時模擬之實驗模型,將聲音樣本錄製成波型檔案輸入,而實驗組則將相同訊號經由MF6濾波IC進行濾波處理,兩者皆為不連續之時間取樣,將結果以波型檔案格式紀錄並由波形分析程式分析、比較其頻率響應。圖5Simulink模擬之實驗模型。

5. Simulink實驗模型圖

本實驗中將以鋸床、鑽床、輪鋸分別與人聲混合之三個聲音樣本進行濾波的實驗,由於混合之波形圖較無法比較頻率之差異,實驗將僅以頻率響應圖分析。以下將依各聲音樣本原始、對照組結果以及實驗組結果之頻率響應-時間圖分述各種噪音樣本的時間結果,其圖形的縱軸為頻率、橫軸為時間,顏色越深表示其響應(dB值)越大。

(1)   鋸床噪音樣本

觀察原始鋸床噪音的頻率響應-時間圖(圖6)可以發現,鋸床的噪音屬於較高頻的噪音,其波形的組成以高頻之響應為主,尤其在3k~5kHz,而人聲波形的組成則以較低頻的響應為主,以1kHz以內的響應較為顯著,故實驗將截斷頻率定於1.5kHz。由圖7可知,經模擬濾波之後,超過1.5kHz的響應開始衰減,2kHz以上的響應幾乎完全消失,6階濾波所得到的結果相當顯著。而圖8則為實際經由MF6濾波IC濾波的結果,除截斷頻率以上仍殘留了部分響應,基本上其濾波後的效果與對照組已十分接近。

6. 原始鋸床噪音樣本頻率響應—時間圖

7. 鋸床對照組結果頻率響應—時間圖(截斷頻率為1.5kHz

8. 鋸床實驗組結果頻率響應—時間圖(截斷頻率為1.5kHz

(2)   鑽床噪音樣本

觀察原始鑽床噪音的頻率響應-時間圖(圖9)可以發現,鑽床噪音波形的組成以中低頻之響應為主,尤其在1kHz以內,與人聲波形的主要響應重疊,實驗仍將截斷頻率定於1.5kHz,以保留人聲。由圖10可知,經模擬濾波以及經由MF6濾波IC濾波的結果依然相當類似,實驗組仍殘留了部分響應,然而實際聆聽的濾除噪音、保留人聲效果,對照組與實驗組皆較不顯著。

9. 原始鑽床噪音樣本頻率響應—時間圖

10. 鑽床對照組結果頻率響應—時間圖(截斷頻率為1.5kHz

11. 鑽床實驗組結果頻率響應—時間圖(截斷頻率為1.5kHz

(3)   輪鋸噪音樣本

觀察原始輪鋸噪音的頻率響應-時間圖(圖12)可以發現,輪鋸的噪音亦屬於較高頻的噪音,其波形的組成以高頻之響應為主,實驗將截斷頻率由先前1.5kHz稍微向下調整0.1kHz,以凸顯濾除噪音的效果。實驗結果,對照組與實驗組的結果亦相當類似,實際聆聽濾波後的聲音,發現有明顯濾除噪音的效果。

12. 原始輪鋸噪音樣本頻率響應—時間圖

13. 輪鋸對照組結果頻率響應—時間圖(截斷頻率為1.4kHz

14. 輪鋸實驗組結果頻率響應—時間圖(截斷頻率為1.4kHz

4.     結論

實驗結果發現MF6濾波IC雖不若模擬之6階濾波器完美,但的確能達到6階濾波特性,實際聆聽各噪音樣本亦能達到噪音濾除與人聲保留的功能,對於高頻噪音有顯著的抑制效果。實際聆聽或觀察圖形皆可發現,實驗組的結果有較大的雜訊,與一較明顯的高頻噪音,其原因可能是濾波器自身產生的熱電壓雜訊,或是輸入電腦轉換成波形格式時產生的雜訊或實驗之電子設備造成的干擾,仍需更進一步探討。

參考文獻

MF6 6th order switched-capacitor Butterworth lowpass filter, datasheet DS005065, National Semiconductor Corporation, 1999