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作者:陳明周(2003-04-10),推薦:徐業良(2003-04-10)

帶通濾波晶片MF8使用說明

1.     帶通濾波器簡介

帶通濾波器之用途是只使特定頻帶之訊號通過的電路,會在「中心頻率(center frequency), fc」有最大輸出電壓Vmax或最大電壓增益A,離開共振頻率則輸出電壓下降,朝兩邊降至0.707Vmax之頻率即分別為高位截止頻率fh和低位截止頻率flfhfl的差稱作「頻帶寬(Band Width), BW」,fc則位於fhfl的幾何中心(),其頻率響應圖如圖1所示。

1. 帶通濾波器之頻率響應圖

設計帶通濾波器還有一個重要的參數,就是「品質因素(quality factor), Q」,其為中心頻率與頻帶寬的比(如式(1)),代表的含意為自中心頻率向任一方移動時下墜陡緩程度,數字愈大下降愈陡。

                                                                                           (1)

2.     MF8帶通濾波晶片簡介

MF8National Semiconductor公司所生產生的帶通濾波晶片,其內含有兩組二階帶通濾波器,內部電路如圖2所示。兩組二階帶通波器完全相同,可以獨立過濾兩組訊號或是只過濾一組訊號而成為四階帶通波濾器,若需要更高階的帶通濾波器,可串聯更多的MF8晶片。MF8帶通濾波器的中心頻率範圍很廣,可由0.1Hz20kHz,藉由外部輸入時脈來調整控制,輸入時脈可以是TTL(石英振盪電路)模式或是CMOS(石英晶體振盪電路)模式。MF8帶通濾波器的的品質係數是由5個邏輯腳位(Q logic pins)控制,範圍由0.59031種選擇,如下表1所示,其中“ABCDE” 5個邏輯腳位下方1”代表該腳位接到V+0”代表接到V-MF8的電原供應可分成單電源模式與雙電源模式,電壓輸入範圍可由±4.5V到±7V(雙電源模式)或9V14V(單電源模式),接線方式分別如圖3、圖4所示。

2.  MF8內部方塊圖及接腳圖

1. Q與“Q logicpins的關係

3. 雙電源模式

4. 單電源模式

3.     實例說明

以下將實際說明如何利用MF8製作一個通帶為400~600Hz的四階帶通濾波器,使讀者能更清楚了解MF8的使用方法。

3.1 中心頻率設定

MF8給定中心頻率的方法為輸入脈波,所需脈波頻率為中心頻率fc50倍或100倍,不同在於100倍的解析度較高,在示波器上可以看到較平滑的波形。MF8Pin 10是用來分別兩種比例的腳位,若採用150,則Pin 10接到V-;採用1100,則Pin 10接到V+。一般脈波可分成CMOS模式和TTL模式兩種,Pin 7Pin 8是用來區別這兩種不同模式,若使用CMOS模式脈波則由Pin 8輸入同時Pin 7接地,如圖3(a)、圖4(a)所示;使用TTL模式脈波則由Pin 7輸入同時Pin8接地,如圖3(b)、圖4(b)所示。脈波的振幅需參照圖2、圖3左下的脈波示意圖之標示,不同的模式會有不同的振幅需求。

通帶為400~600Hz的帶通濾波器中心頻率為。本文採用1100的比例,因此輸入的脈波,同時Pin 10接到V+。脈波產生的方式為使用National Semiconductor公司的LMC555計時晶片產生TTL脈波,LMC555MF8的關係如圖5所示,其使用請參考「LMC555計時晶片簡介」一文。

5. LMC555MF8

2.2 階數與品質係數設定

MF8中品質係數計算公式式(1)僅適用於兩階濾波,當濾波超過兩階,品質係數計算將如式(2)加入係數KQKQ的大小可查表2。此時的濾波特性屬於Butterworth濾波器。

                                                                                                (2)

2. Design Tables for Multiple Feedback Loop Bandpass Filters

當階數增加,電路還需要增加一些額外的電阻,如圖6所示,當中RNRF的關係為,其中KN的大小由表2得知,Rf可以任選。

6. By adding more second-order filter stages and feedback resistors

本範例是要製作一個四階濾波器,圖7為階數等於4的情形,其中,由表2查得K0=2K2=4,此外KQ=1.4142,頻帶寬BW = fh - fl =200Hz,代入式(2)算出。參考表1找出最接近的Q值為3,其對應的Q logic pins為「01100」,0”代表該腳位連接到低電位V-1”代表該腳位連接到高電位V+,如圖8所示。

7. General fourth-order multiple-feedback bandpass filter circuit

8. Q=3Logic pins

3.3 整體電路圖

在了解中心頻率、品質係數、及額外電阻的設定後,即可開始製作整體電路,本範例採用單電源模式、輸入TTL脈波,因此參考圖3(b)可得電路如9所示。

9. 整體電路圖

需特別注意,使用單電源模式時訊號是以為參考準位,因此以示波器測量時,需將探棒的地線接在MF8Pin 4(Agnd),而非電源地線。

4.     MF8性能測試

接下來對製作完成的MF8濾波器性進行測試,以驗證其是否具備有四階濾波器的效能。本測試先首先選定一樣本聲音訊號,並利用Matlab Simulink模擬理想Butterworth四階濾波器,將此樣本聲音訊號輸入理想濾波器,再以相同訊號輸入MF8,紀錄兩者濾波後之頻譜圖進行比較。樣本訊號之頻譜圖如圖10所示,通過理想濾波器及MF8之結果分別如圖11、圖12所示。觀察圖1112,發現MF8與理想濾波器的頻譜圖整體趨勢相同,雖然MF8之效果不如理想濾波器顯著,但與原訊號比較,通帶外之能量已大幅降底

10. 樣本訊號頻譜圖

11. 樣本訊號通過理想濾波器後之頻譜圖

12. 樣本訊號通過MF8濾波器後之頻譜圖

參考資料

MF8 4th-Order Switched Capacitor Bandpass Filter, datasheet TL/H/8694, National Semiconductor Corporation, 1995.

陳明周,LMC555計時晶片簡介,http://designer.mech.yzu.edu.tw/,最佳化設計實驗室。

陳明周,主動式濾波器簡介,http://designer.mech.yzu.edu.tw/,最佳化設計實驗室。