万方数据第９卷・第５期哈尔滨理工大学学报Ｖｏ１．９ Ｎｏ．５２００４年１ ０月ＪＯＵＲＮＡＬ ＨＡＲＢＩＮ ＵＮＩＶ． ＳＣＩ．＆ＴＥＣＨ．Ｏｃｔ．， ２００４波形合成技术中低通椭圆滤波器的设计刘抒珍，童子权，任丽军，刘小红贻尔滨理工大学侧控技术与通信工程学院，黑龙江哈尔滨１５００４０） 摘要：以设计低通椭国滤波器为目的，依据ＤＤＳ的基本原理，采用了ＥＤＡ仿真手段，研究了低通椭圈滤波器的设计方法，确定了滤波器的阶数和拓扑结构，并设计了相关参数．得出了截止频率为１２０ ＭＨｚ的９阶低通椭圆滤波器幅频特性好，通带波纹小于０．２５ ｄＢ，具有快速的衰减速率，在１４４ ＭＨｚ处衰减为７０ ｄＢ．关键词：ＤＤＳ；低通椭圆滤波器；ＥＤＡ仿真 中图分类号： ＴＮ７１３．４文献标识码：Ａ文章编号：１００７－２６８３（２００４）０５－００２２－０３Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌｏｗ一ｐａｓｓ ＥｌｌｉｐｔｉｃＦｉｌｔｅｒ ｏｎ ＤＤＳＬＩＵ Ｓｈｕ一ｚｈｅｎ， ＴＯＮＧ Ｚｉ一ｑｕａｎ， ＲＥＮ Ｌｉ － ｊｕｎ， ＬＩＵ Ｘｉａｏ一ｈｏｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｅ一ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈ．， Ｈａｒｂｉｎ １５００４０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｌｏｗ一ｐａｓｓ ｅｌｌｉｐｔｉｃ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｄｉｇｉｔａｌｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｕｓｉｎｇ ＥＤＡ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｌｏｗ一ｐａｓｓｅｌｌｉｐｔｉｃ ｆｉｌｔｅｒ， ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ａｎｄ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ｆｉｌｔｅｒ， ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ａ９ｔｈ一ｏｒｄｅｒ ｌｏｗ一ｐａｓｓ ｅｌｌｉｐｔｉｃ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ａｔｔａｉｎｅｄ ｔｈａｔ ｉｔｓ ｃｕｔ一ｏｆｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ １２０ ＭＨｚ； ｉｔｓ ｐｈａｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎ－ｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｓ ｇｏｏｄ； ｉｔｓ ｐａｓｓｂａｎｄ ｒｉｐｐｌｅ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．２５ ｄＢ； ａｎｄ ｈａｓ ｓｐｅｅｄｙ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈｉｓ ７０ ｄＢ ｉｎ １４４ ＭＨｚ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＤＤＳ； ｌｏｗ一ｐａｓｓ ｅｌｌｉｐｔｉｃ ｆｉｌｔｅｒ； ＥＤＡ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 低通滤波器是信号发生器中信号调理电路的重１低通滤波器的设计要部分，其核心原理大多采用ＤＤＳ技术，即直接数字式频率合成技术．采用ＤＤＳ技术的信号发生器具根据直接数字合成技术的原理ｍ输出信号频 有良好的频率分辨率和快速、连续的变频性能，很宽率ｆ．、晶振时钟ｆ，及频率控制字ＡＰ的关系为的相对带宽．但是，由于ＤＤＳ有一个明显的缺点，输ｆａ ＝Ａｐｆｌｌ２＂ （１）出频率越接近Ｎｙｑｕｉｓｔ带宽的高端，采样点数越少， 目前有许多性能优越的ＤＤＳ集成芯片，如ＡＤ其输出的杂散干扰就越大．ＤＤＳ波形合成技术中低公司的ＡＤ９８５２．ＡＤ９８５２的内部工作频率最高可达通滤波器的设计尤其重要，滤波特性的优劣对输出３００ ＭＨｚ，内置４倍至２０倍的可编程参考时钟倍频信号的性能起着重要的影响．本文就此问题，提出了器．ＡＤ９８５２有５种工作模式，分别为ＦＳＫ， ＢＰＳＫ，设计一个截止频率为１２０ ＭＨｚ的低通椭圆滤波器，ＰＳＫ， ＣＨＩＲＰ和ＡＭ．与其他ＤＤＳ芯片相比，ＡＤ９８５２确定滤波器的阶数和拓扑结构，并设计相关参数．的突出优点是工作模式多，输出初始相位、幅度可收稿日期：２００４一０５一１７作者简介：刘抒珍（１９即一），女，哈尔滨理工大学硕士研究生．第５期刘抒珍等：ＤＤＳ波形合成技术中低通椭圆滤波器的设计／理想低通控，频率分辨率高，数模转换精确度高．由奈奎斯特采样定理可知，输出信号频率最高值是ＤＤＳ芯片的时钟频率的一半，但是为了得到较好的输出杂散性能，一般让输出的信号频率小于参考频率的４０％，即尽量使采样点数取得多一些，因此ＡＤ９８５２能输出０１０为３０４０匆 毛￣哥笼解 －一 一－一最高频率为１２０ＭＨｚ．滤波器可以分为模拟滤波器和数字滤波器，模 Ｒａｄ／ ｓ拟滤波器又可以分为无源滤波器和有源滤波器一个滤波器是用一组输人一输出对或者激励一响应对表征的系统．滤波器的性能用一些参数来表征，最常用的技术参数是频率响应，可以用两个ｊｃｏ的多项式之比表示，称传递函数．根据传递函数的形式，比较普遍的滤波器有巴特沃思、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器．１．１滤波器的选择方案采用ＡＤ９８５ ２的ＤＤＳ系统中，可以输出的信号频率最高为１２０ ＭＨｚ，则低通滤波器的截止频率为１２０ ＭＨｚ，由于有源滤波器中大多数运算放大器的开环增益不够和频带的，有源滤波器主要应用于低频场合，因此设计采用无源低通滤波器．又根据传递函数的形式，巴特沃思和切比雪夫滤波器的传递函数都是一个常数除以一个多项式，为全极点网络，仅在无限大阻带处衰减为无限大，而椭圆函数滤波器在有限频率上既有零点又有极点．极零点在通带内产生等波纹，阻带内的有限传输零点减小了过渡区，可获得极为陡峭的衰减特性曲线，所以采用椭圆函数滤波器［１１椭圆函数滤波器的幅度函数为 ＩＨＧ（ｏ）ＩＺ１ １＋ａ２Ｒ三（动（２）式中￡为波纹参数，有理函数Ｒ．（叻为Ｒｎ（ｏｃ）＝。（。卜。勺（。孟一。２） ．．． （ｃｕ卜。，）（１一。，０ ２）（１一。２｝ｚ）．．． （１一。孟Ｃｏｔ）（３）当ｎ为奇数时，ｋ＝（ｎ一１）／２．Ｋ．（ｃｏ）＝（。卜。，）（。卜。，）…（。卜。，）（１一。｛。汉１一。知２）．．．（１一。２ｋｃｏ２）（４）当ｎ为偶数时，ｋ＝ｎ／２．如图１所示，比较了五个极点的巴特沃思滤波 器、０．１ ｄＢ波纹的切比雪夫滤波器和０．１ ｄＢ波纹、二传输零点的椭圆函数滤波器的特性．显然，椭圆函数滤波器在过渡区内具有快得多的衰减速率．１．２椭圆函数滤波器的设计在ＤＤＳ波形合成技术中，滤波器的设计首先主 要考虑滤波的幅频特性，电路的输人、输出阻抗匹万方数据圈１三阶巴特沃思、切比甘夫和椭圆函数诊波器的比较配，截止频率等，根据设计参数确定具体曲线和归一化的元件值，再根据实际去归一化得到实际的元件值Ｄ）．其中滤波器的归一化是指将所有电抗元件都除上一个频率标度系数（ＦＳＦ），就可把一个已知频率响应标定到不同频率范围．以一个函数发生器为例，它采用ＡＤ９８５２芯片为ＤＤＳ核心，输出最高频率为１２０ ＭＨｚ，输出电阻为匹配电阻即５０５２，要求滤波器有平坦的幅频特性和快速的衰减率，本文设计的椭圆滤波器的主要指标如下：①３ ｄＢ截止频率为１２０ ＭＨｚ，电阻Ｒ，，ＲＺ为１００５２；②在１４４ ＭＨｚ（ｆ，）处最小衰减为７０ ｄＢ；③通带波纹小于０．２５ ｄＢ．椭圆滤波器的电路拓扑图如图２， 根据电路拓扑图给出椭圆滤波器设计的具体步骤．Ｌ， 几几与认！Ｃ６认凡多未Ｃ，Ｃ，木Ｃ６ｑｑ 丰ｑ‘｝‘图Ｚ椭圆泣波器的电路拓扑图１ ）计算陡度系数Ａ，＝ ｆ，／ｆ，＝ １４４／１２０＝１．２；２） 计算反射系数Ｐ＝丫子７石下乎下二２５％； ３）根据陡度系数人、最小衰减Ａｍ。和反射系数巧参考椭圆函数滤波器阶数曲线得到设计所需滤波器的阶数为９阶；４）编号查归一化的电容和电感值，如表１． 裹１ 元件值元件值归一化去归一化元件值归一化去归一化ｑ／ｐＦ１． ２６１『．１６７ＣＢ／ｐＦ０． ３８５ｑ／ｐＦ０．１０３ ．．卫３７Ｃ９／ｐＦ１．０３６几／ｐＦＩ，口４‘， ． Ｕ￣凡ｊ１Ｌ，／ｐＨ１．２９６０ ７２ Ｃ，／ｐＦｎ６，甘白ｌｌＯ…Ｏ３２Ｌ２／ｕＨ０．９５２１０２６几／ｐＦ百内Ｊ『ｊ月几产１８．０Ｌ，／ｐＨ０．８２３９￣１１０９ｑ／ｐＦ０Ｏｎ４ｎ１１．１Ｌ，／ｐＨ０．０２８０．１３６ｑ／ｐＦ１．４７６万方数据哈尔滨理工大学学报第９卷５）用Ｚ＝１００ＣＩ和频率标度系数ＦＳＦ（２７ｒｆ，）对些因素使得输出的高频信号的幅度会有较大的衰滤波器去归一化．根据去归一化的原则：减．设计低通滤波器时，应该考虑到在频率滤波器的Ｌ＇ ＝ＬＸＺ，＿Ｃ最后一级加上电路补偿部分．补偿的原则是使得幅ＦＳＦＦＳＦｘＺ 度值在高频处有一定的增大，这样可以补偿高频信得到去归一化后的元件值如表１．根据以上方法得号在后面的放大电路部分中的幅度衰减．加上补偿到设计出的低通椭圆滤波器，还需要能直观地看到部分的椭圆滤波器的电路拓扑图如图５．滤波器的幅频特性，才能真正知道设计的滤波器性乌 乌 Ｌ， Ｌ，能是否满足设计要求．当前已经有很多用于电路仿真的元件，本文采用Ｍｕｌｔｉｓｉｔｎ ２００１仿真软件［１４仿真，可以得到采用表格１去归一化元件值的低通滤ＬＡ李牛Ｃ，Ｒ． Ｉ Ｉ ｉ｝！Ｃ，！４丰Ｃ，｝认丰Ｃ｝丰ＧｏＩ Ｉ 丰ｑＩ，「－扒！丰ｑＩ Ｉ Ｒ，＊Ｒ，波器幅频特性，如图３．印圈５椭回建波器的电路拓扑圈 Ａ叨右 ３０图５中采用的是并联非定阻型，因为谐振电容 爹２０一夕１０可使抽头电感减小，其中Ｒ，为ＲＺ值的１尽．下面给０２０ １００ １２０ １４４出计算Ｃ，。和ＬＳ的具体公式：Ｆｒ ｅｑｕｅｎｃｙ／ＭＨｚ１ ）计算Ｋ＝ １０＂０＂ｌ＇，其中人。是所要求的总提圈３理想元件值构成低通椭回泣波器的幅颇特性 升分贝数； 表１中的去归一化的元件值都是理想值，由于 ２）计算ｂ ＝ｆｒｌｆｂ或者ｂ ＝ｆｂｌｆ，，选择大于１的ｂ，制作工艺，元器件公司并不能提供这些理想元件其中关是对应于Ａｄ沪的频率；值，因此，应该根据实际情况恰当的修改元件值，使得设计出滤波器的幅频特性能更接近于理想滤波３）计算Ｌ，＝ＲＺ（。 ２４ｘ ｆｂｂ，ｂ伙一１一１）｝－Ｋ）七， 。二二，气二－－二代二竺少一。（ ２叮ｒＹＬ２器．图４是采用实际元件值构成的滤波器幅频特性．利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ２００１适当的修改元件值，就可以印得到较理想的值，仿真后的幅频特性图如图６． 势￣跳幻 万３０一多２０刃１００ 势叨３０２０ １００ １２０ １４４￣肠 日加Ｆｒ ｅｑｕｅｎｃｙ／ＭＨｚ一夕１０圈４实际元件值构成低通椭圈泣波器的粗撷特性０１００ １２０ １４４２幅频特性的补偿圈６加有补偿低通椭圆谁波器的幅频特性 从图３和图４的对比可以看出，由于实际值与３结论理想值之间的差异，图４中后一个游标表示出１２０ ＭＨｚ处的幅度比图３中１２０ ＭＨｚ处的幅度有衰本文设计的低通椭圆滤波器的阶数为９阶，截 减；元件品质因数不够大，也会在截止频率范围内使止频率为１２０ ＭＨｚ，其通带波纹小于０．２５ ｄＢ，具有良频率响应下凹或变圆滑；同时在一个完整的系统好的幅频特性和快速的衰减速率．在１４４ ＭＨｚ处衰中，低通滤波器的输出还应该经过放大电路，放大电减为７０ ｄＢ，对高频信号的滤波作用明显，输出信号路主要由运算放大器组成，根据运算放大器的频率特性好．利用本文的方法可设计适合各个频段波形响应特性，运算放大器会对高频信号的幅度衰减，这的低通椭圆滤波器．参考文献：洛炳松，许明，播锦．ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５２及其应用ｌｌｉ．电子技术，２００２，（４）：４６－４８．（美）阿瑟Ｂ威廉斯，喻春轩译．电子滤波器设计手册（Ｍ１．北京：电子工业出版社，１９８６．熊俊俏，卢容德．模拟椭圆低通渔波器的设计与仿真Ｉｎ．华北航天工业学院学报，２００１， ８（ｌ ｌ）： ６６－６７．郑步生，吴渭．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ２００１电路设计及仿真人门与应用脚】．北京：电子工业出版杜，２００２．（编样：高长福）１１１１２１１３１１４］
