基于MAX274的八阶带通模拟滤波器的设计与仿真*

程光宇　吴浩然　唐劲松

(海军工程大学电子工程学院　武汉　430033)



基于MAX274的八阶带通模拟滤波器的设计与仿真*

程光宇吴浩然唐劲松

(海军工程大学电子工程学院武汉430033)

为了快速而精确实现所需八阶带通模拟滤波器的设计，保证水声信号接收机系统的滤波与增益性能，文章提出了基于Maxim公司的滤波器设计芯片MAX274快速实现八阶Butterworth带通模拟滤波器的设计方案。结合水声信号接收机系统的指标，设置滤波器设计软件的设计参数，并通过Multisim仿真得到带通滤波器频率响应曲线进行对比验证，其滤波与增益性能在相应频带内效果好。体积小、单片集成、方便调试的优点，使其更加适合该系统滤波器的设计。

MAX274;Butterworth带通滤波器;Multisim仿真

Class NumberTP391

1　引言

水声信号接收机系统基本功能是实现噪声背景下声信号的滤波与放大，其中滤波性能很大程度上取决于所设计的滤波器。为提取出所需频带内的信号，工业应用中一般使用由运算放大器、电阻、电容构成的有源滤波器，但容易受外界干扰影响，当工作频率一定高时，杂散电容将导致滤波器性能严重下降[1]。MAX274为单片集成，只需外接电阻，就可以设计出所需的Butterworth、Bessel和Chebyshev滤波器，其受杂散电容影响小，体积小，软件设计界面易操作，是一款难得的实现高阶模拟滤波器的芯片[2]。本文介绍了MAX274芯片及其实现滤波器的原理，设计了满足水声信号接收机系统要求的八阶Butterworth带通模拟滤波器，并在Multisim中进行了仿真验证。结果表明，使用MAX274芯片设计滤波器，软件易操作、设计结果精确，应用前景广泛。

2　MAX274简介与工作原理

MAX274是一款连续时间有源滤波器设计芯片，内部由四个独立、可级联的二阶滤波单元构成，单个二阶滤波单元电路结构如图1所示。对于单片芯片，通过配置各单元中R1～RTP3914的阻值，就可以设计出最高八阶(只能为偶数阶)有源的低通、带通、带阻和高通滤波器[3]。工作频率可达150KHz，且在工作温度范围内精度在±1%以内。既可+5V电源供电，也可±5V电源供电。

图1　单个二阶滤波单元电路结构图

MAX274芯片具有以下优点[2,4]：

1)只需外接电阻，硬件设计简单且受杂散电容影响小；

2)Maxim公司提供免费的滤波器设计软件，无需复杂的计算；

3)芯片为连续时间滤波器，无时钟噪声，总谐波失真典型值为-86dB；

4)放大倍数可调，软件调整参数简便易懂。

MAX274芯片通过级联内部四个二阶滤波单元可以设计出高阶不同类型的滤波器，单个二阶滤波单元通过外接四个电阻设计，其中心频率F0、品质因素Q、带通增益HOBP、低通增益HOLP、带通系统函数及低通系统函数与外接电阻之间的关系如式(1)～(6)所示[2]：

F0(Hz)=2*109/R2

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3　八阶Butterworth带通模拟滤波器设计

Maxim公司针对MAX274提供了免费的滤波器设计软件，用户在官网下载后可以通过软件快速计算出所需滤波器各个二阶滤波单元的四个外接电阻的阻值，并可以查看滤波器的响应曲线是否满足设计需求[5]。本文以设计中心频率为F0=4960Hz，带宽为5200Hz的带通滤波器为例介绍滤波器设计软件的使用和设计经验。

运行滤波器设计软件FILTER.exe后按任意键进入软件主界面，如图2所示。选择第一选项，进入滤波器参数设置界面，如图3所示。

图2　设计软件主界面

图3　滤波器参数设置界面

设置类型(Type)为带通(Bandpass)，带通滤波器以Butterworth滤波器最佳，其通带内最为平坦，为充分利用单片MAX274芯片的性能，设置阶数(order)为八阶，通带最大衰减(Amax)设置为3dB，阻带最小衰减(Amin)设置为20dB，中心频率设置为4960Hz，通带最低频率(Fbw-)设置为3KHz，通带最高频率(Fbw+)设置为8.2KHz，然后调整阻带最低频率(Fsw-)和阻带最高频率(Fsw+)，使其满足Butterworth滤波器的阶数要求[6]。

参数设置完成后，按V键可查看滤波器频率响应曲线，如图4所示。

图4　滤波器频率响应曲线

按Esc键返回图1的主界面，选择第二项，进行MAX274外接电阻的设计。按L键加载刚刚设置的参数，可以看到各个二阶滤波单元设计完毕，如图5所示。按V键可以查看各阶滤波的响应曲线，其选择界面如图6所示。按R键可以查看单个二阶滤波单元的电路图，如图7所示，当外接电阻阻值过大时(一般以4MΩ为上限)，需要接成T型网络或者更改芯片Fc引脚的连接方式(一般连接至GND)。在图5中按[Ctrl+G]可以设置带通增益，本设计为20dB。导出各二阶单元的电阻，可以进行后续的仿真验证和电路制作。

图5　二阶滤波单元参数设置界面

图6　滤波器响应查看界面

图7　二阶滤波单元电路图

4　基于Multisim的仿真

MAX274带通滤波器的电路连接图如图8所示，其中各滤波单元参数如表1所示。将图8中电阻值设置为相应的电阻值，INA接输入信号，各阶滤波单元以级联方式连接，BPD为滤波器输出，完成八阶带通滤波器电路设计[2,7]。

图8　MAX274带通滤波器电路图

在进行Multisim的仿真时，将各个二阶滤波单元按照要求仿真实现，单个二阶滤波单元电路仿真图如图9所示，其中运算放大器选择的是OP462，该运放带宽为15M，与MAX274内部运放带宽一致，更接近实际情况[8～9]。

表1　带通滤波器参数表

级联4个二阶滤波单元组成八阶Butterworth带通滤波器，接入不同频率的电压信号源调试仿真，将仿真数据导入Matlab绘图，得到滤波器的频率相应曲线，如图10所示。

图9　单个二阶滤波单元电路仿真图

比较图4与图10，可以看出：本设计的八阶Butterworth带通模拟滤波器，在3dB带宽内(3KHz～8.2KHz)增益为17dB～20dB，Multisim的仿真结果与滤波器设计软件得到的结果一致性强，通带内平坦，阻带相应曲线呈快速下降趋势，性能满足设计要求。

图10　滤波器频率响应曲线

当然，新用户在使用MAX274设计滤波器的过程中，可能遇到软件有设计结果，但仿真结果始终不正确的情况，这时首先考虑阻值是否正确，电路连接是否正确，最后考虑频率和品质因素是否过大，以及单二阶滤波增益过高导致输出电压超过芯片电源电压等[10]。

5　结语

本文基于MAX274设计了八阶Butterworth带通模拟滤波器，通过Multisim仿真，验证了该设计满足水声信号接收系统带通滤波器的要求，设计流程简单易懂，设计结果精确，适合初学者以及广大工程师在滤波器设计中使用。

[1]吴凯,舒曦辉.MAX274/275连续时间有源滤波器及应用[J].集成电路与应用，1997(5)：19-21.

[2]MAX274 Datasheet[EB/OL].http//www.maxim-ic.1996-10-01.

[3]彭良玉,罗光明,黄满池.基于MAX274的八阶连续时间带通滤波器的设计[J].电气电子教学学报，2009，31(2):57-59.

[4]黄志坚，胡以怀.基于MAX274/275的滤波器设计[J].上海海事大学学报，2004，25(4):51-53.

[5]陈东升,许肖.八阶连续时间滤波器MAX274在浅海水声跳频通信系统中的应用[J].厦门大学学报(自然科学版)，2008，47(2):178-181.

[6]Revna Acar Vural，Ufuk Bozkurt，Tulay Yildirim.Analog active filter component selection with nature inspired metaheuristics[J].International Journal of Electronics and Communications，2013，67(3)：197-205.

[7]张淑娥,王丹.基于MAX274的滤波器设计与实现[J].无线电通信技术，2011，37(6):53-54.

[8]Multisim 10仿真用MAX274设计的4阶带通滤波器[EB/OL].http://bbs.eetop.cn.2013-04-01.

[9]OP462Datasheet[EB/OL].http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/OP162_262_462.pdf.

[10]纪伟,郑晗,钟磊等.有源滤波器MAX274的实用性设计[J].水雷战与舰船防护，2007，15(1):43-45.

Design and Simulation of Eighth-order Bandpass Analog Filter Based on MAX274

CHENG GuangyuWU HaoranTANG Jinsong

(College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering,Wuhan430033)

In order to achieve required eighth-order bandpass analog filter design fast and accurately,to ensure the performance of filtering and gain of underwater acoustic signal receiver system,a design that implementing eighth-order bandpass analog filter quickly is proposed in this paper which is based on the MAX274 chip of Maxim.Combined with the index of underwater acoustic signal receiver system,the filter design software parameters are setted,bandpass filter frequency response curve is obtained and verified by Multisim simulation,it’s observed that the bandpass filter’s filtering and gain performance in the corresponding frequency band is fine.The advantages of small size,monolithic integration and convenient debugging,make the MAX274 chip more suitable for the filter design of the system.

MAX274,Butterworth bandpass filter,Multisim simulation

2016年3月19日,

2016年4月25日

国防预研基金项目(编号：9140A31010114MQ01)资助。

程光宇，男，硕士研究生，研究方向：水声信号处理。

TP391DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.016