利用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)數(shù)控低通濾波器

2 一種簡(jiǎn)單的低通濾波器
由DS3903構(gòu)成的音頻低通濾波器如圖l所示。該電路采用單電源供電，電源電壓范圍為2．7～5．5 V。包含一級(jí)前置衰減，5．0 V供電時(shí)可處理5．0 VP-P(1．77VRMS)輸入。為了產(chǎn)生一個(gè)雙極點(diǎn)(極點(diǎn)在同一頻點(diǎn))低通濾波器(每10倍頻程衰減12 dB)，電容C3必須是C2的2倍以上，可變電阻POTO和POTl設(shè)置相同值，則截止頻率(fC)計(jì)算如下：

其中，RPOT是可變電阻POT0和POT2設(shè)置對(duì)應(yīng)的電阻值。

該電路的輸入部分(Cl、U1一POTl、U2A、Rl和R2)是音量控制電路，還可將音頻信號(hào)的直流偏置到VCC／2，使信號(hào)在未嵌位的條件下通過(guò)數(shù)字電位器和運(yùn)放器，在任何供電電源下，電路都能夠處理最大信號(hào)擺幅。因此，該設(shè)計(jì)在2．7 V至5．0 V下工作性能良好。輸出直流電平保持在VCC/2，除非在正常輸出以外工作，電平將偏移到不同工作點(diǎn)。
對(duì)于已限定工作范圍的應(yīng)用，可以去掉輸入級(jí)電路，采用直接耦合的方式連接到濾波器。去掉輸入電路后，輸出信號(hào)只是經(jīng)截止頻率為fC的雙極點(diǎn)濾波器濾波后的信號(hào)，而輸入信號(hào)的直流分量則直接旁路到輸出端。
通過(guò)更改電容或選擇不同端到端電阻的數(shù)字電位器，該電路的截止頻率可設(shè)置為500 kHz。
用于計(jì)算RPOT的數(shù)字電阻模型如圖2所示，對(duì)于指定位置，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)將閉合而其他位置的開(kāi)關(guān)則開(kāi)路。電位器每遞增一個(gè)單元位置，電阻將相應(yīng)增加LSB(對(duì)DS3903，10 kΩ／128=78Ω)，最高抽頭位置除外，最高抽頭位置為電位器電阻的并聯(lián)組合，則引起非線(xiàn)性。通過(guò)下式計(jì)算RPOT：

其中：RLSB是端到端電阻除以抽頭數(shù)；RW是滑動(dòng)端、電阻；n是電位器的編程位置；a是數(shù)字電位器的總抽頭數(shù)。
圖3所示給出了DS3903 10 kΩ電位器的RPOT電阻值與抽頭位置之間的關(guān)系圖，假定端到端電阻為10 kΩ，滑動(dòng)端電阻最小值是500Ω。這兩個(gè)參數(shù)都會(huì)對(duì)濾波特性產(chǎn)生顯著影響，但主要影響的是截止頻率的最小值和最大值，實(shí)際截止頻率可以在其最小值和最大值之間調(diào)節(jié)，選擇適當(dāng)?shù)碾娙葜导纯蓪⒔刂诡l率設(shè)置在可調(diào)范圍內(nèi)所要求的頻點(diǎn)。

3 數(shù)字電位器設(shè)計(jì)考慮
濾波電路選擇數(shù)字電位器時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素。
使用數(shù)字電位器的最大限制是電位器端點(diǎn)的電壓，通常該電壓必須保持在VCC和GND之間，以避免ESD結(jié)構(gòu)內(nèi)部的二極管將音頻信號(hào)嵌位。當(dāng)VCC在規(guī)定的范圍(2．7~5．5 V)內(nèi)時(shí)，DS3903的ESD結(jié)構(gòu)允許輸入信號(hào)處于6 V與GND之間，這一特性對(duì)于要求輸入信號(hào)大于VCC的應(yīng)用非常靈活。但是，在圖l所示電路中并未處理6．0 VP-P信號(hào)，因?yàn)檫\(yùn)放電源低于6 V時(shí)將會(huì)嵌位信號(hào)。如果運(yùn)算放大器能夠采用更高的電壓供電，即可使用DS3903的大信號(hào)處理功能。
電位器抽頭的變化形式(線(xiàn)性或?qū)?shù))決定了電路截止頻率的線(xiàn)性調(diào)節(jié)或?qū)?shù)調(diào)節(jié)形式。對(duì)于圖l所示音頻范圍的濾波電路，為保證在40～800 Hz之間提供盡可能多的截止頻率設(shè)置，采用線(xiàn)性電位器比較合適。
電位器的分辨率(如128或256抽頭)決定了截止頻率的調(diào)節(jié)精度，抽頭數(shù)越多，截止頻率的調(diào)節(jié)精度也越高。對(duì)于音頻應(yīng)用，不太可能使用64或128抽頭以上的電位器來(lái)設(shè)置低通濾波器的截止頻率。對(duì)于寬帶應(yīng)用則要求更多的電位器抽頭。
一些數(shù)字電位器采用非易失存儲(chǔ)，能夠在沒(méi)有電源供電時(shí)保持抽頭位置。這種特性可用于保存校準(zhǔn)后的濾波器位置，而在上電時(shí)不再調(diào)整濾波器設(shè)置。易失電位器總是從一個(gè)預(yù)置位置啟動(dòng)，電路在被修改之前將一直保持默認(rèn)位置。
數(shù)字電位器的端到端電阻和滑動(dòng)電阻具有較寬的公差，圖l所示電路中的兩個(gè)電阻(POTO和POT2)則保持相等，因?yàn)檫@兩個(gè)電阻制作在同一硅片上。電位器的實(shí)際阻值差別較大，通常端到端電阻的變化范圍是±20％，但它們的相對(duì)值基本保持穩(wěn)定。
另外，數(shù)字電位器內(nèi)部也具有一定的寄生電容，這會(huì)限制最大截止頻率。截止頻率大于500 kHz時(shí)，不推薦使用10 kΩ的數(shù)字電位器，也不建議將50 kΩ數(shù)字電位器用于100 kHz以上的設(shè)計(jì)或?qū)?00 kΩ的數(shù)字電位器用于50 kHz以上的設(shè)計(jì)。對(duì)于音頻應(yīng)用，所選擇的電位器能夠提供足夠的帶寬，但對(duì)于寬帶應(yīng)用，必須慎重考慮這一因素。

4 運(yùn)算放大器的選擇
該電路對(duì)于運(yùn)算放大器的主要設(shè)計(jì)考慮是最小穩(wěn)定增益和輸入、輸出電壓擺幅。輸入級(jí)接收信號(hào)并將其偏置在VCC／2直流電平，濾波器本身是單位增益放大器。為保證可靠工作．放大器必須是單位增益穩(wěn)定。另外，還需選擇具有滿(mǎn)擺幅輸入、輸出的運(yùn)算放大器，以處理接近電路供電電壓的輸入信號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)
數(shù)字電位器可用于構(gòu)建數(shù)控低通濾波器．本文中的雙極點(diǎn)濾波器能夠在音頻應(yīng)用中提供良好性能，選擇不同的電容、電位器值可以調(diào)整濾波器的截止頻率，最高可達(dá)500 kHz。