利用数字电位器实现数控低通滤波器

摘要：数字电位器是一种应用普遍的器件，本文介绍如何使用数字电位器构建一个可调带宽的低通滤波器。

一种简单的低通滤波器

图1所示是用DS3903构成的音频低通滤波器。该电路设计采用单电源供电，电源电压范围2.7V至5.5V。包含一级前置衰减，5.0V供电时可处理5.0VP-P (1.77VRMS)输入。为了产生一个双极点(极点在同一频点)低通滤波器(每十倍频程衰减12dB)，电容C3必须是C2的两倍以上，可变电阻POT0和POT1设置在相同值，截止频率(fC)的计算公式如下：



其中RPOT是可变电阻POT0和POT2设置对应的电阻值。


图1. 用DS3903构成的音频低通滤波器

电路的输入部分(C1、U1-POT1、U2A、R1和R2)是音量控制电路，它还用于将音频信号的直流偏置到VCC/2，使信号可以在不被钳位的条件下通过数字电位器和运放。任何供电电源下，电路能够处理最大信号摆幅，因此，该设计能够很好地工作在2.7V至5.5V VCC。输出直流电平保持在VCC/2，除非电路工作在正常输出以外，是电平偏移到不同的工作点。

对于已经限定工作范围的应用，可以去掉输入级电路，采用直接耦合的方式连接到滤波器。去掉输入电路后，输出信号只是经过截止频率为fC的双极点滤波器滤波后的信号，输入信号的直流成分将直接旁路到输出端。

更改电容或选择不同端到端电阻的数字电位器，该电路的截止频率可以设置到500kHz。

用于计算RPOT的数字电阻模型如图2所示，对于指定位置，相应的开关将闭合而其它位置的开关开路。电位器每递增一个单元位置，电阻将相应增加1 LSB (对DS3903，10kΩ/128 = 78Ω)，最高抽头位置除外，最高抽头位置为电位器电阻的并联组合，会引起非线性。可通过下式计算RPOT：



其中：

• RLSB是数据资料电气参数表中的端到端电阻除以抽头数(a)。
• RW是数据资料电气参数表中的滑动端电阻。
• n是电位器的编程位置。
• a是数字电位器的总抽头数。

图3给出了DS3903 10kΩ电位器的RPOT电阻值与抽头位置的关系图，该图假定端到端电阻为10kΩ ，滑动端电阻最小值是500Ω。这两个参数都会对滤波特性产生显著影响，但主要影响的是截止频率的最小值和最大值，实际截止频率可以在最小值和最大值之间调节，选择适当的电容值即可将截止频率设置在可调范围内所要求的频点。


图2. 数字电位器的电阻模型


图3.

利用Audio Precision®测试设备对图1电路进行测试，可以得到图4至图6所示的衰减特性和THD+N性能。


图4.


图5.


图6.

数字电位器设计考虑

为滤波电路选择数字电位器时需要考虑几个因素。

使用数字电位器的最大限制是电位器端点的电压，通常该电压必须保持在VCC和GND之间，以避免ESD结构内部的二极管将音频信号钳位。当VCC在规定的范围内(2.7V到5.5V)时，DS3903的ESD结构允许输入信号介于6V与GND之间，这一特性对于要求输入信号大于VCC的应用非常灵活。但是，在图1所示电路中并未处理6VP-P信号，因为运放电源低于6V时将会钳位信号。如果运算放大器能够用更高的电压供电，即可使用DS3903的大信号处理功能。

电位器抽头的变化形式(线性或对数)决定了电路截止频率的线性调节或对数调节形式。对于图1所示音频范围的滤波电路，为保证在40Hz与800Hz之间提供尽可能多的截止频率设置，采用线性电位器比较合适。

电位器的分辨率(如128或256抽头)决定了截止频率的调节精度，抽头数越多，截止频率的调节精度也越高。对于音频应用，不太可能使用64或128抽头以上的电位器来设置低通滤波器的截止频率。对于宽带应用可能要求更多的电位器抽头。

一些数字电位器采用非易失存储，能够在没有电源供电时保持抽头位置。这种特性可用于保存校准后的滤波器位置，而在上电时不再调整滤波器设置。易失电位器总是从一个预置位置启动，电路在被修改之前将一直保持默认位置。

数字电位器的端到端电阻和滑动电阻具有较宽的公差，图1所示电路中的两个电阻(POT0和POT2)则保持相等，因为这两个电阻制作在同一硅片上。电位器的实际阻值差别较大，通常端到端电阻的变化范围是±20%，但它们的相对值基本保持稳定。

另外，数字电位器内部也具有一定的寄生电容，这会限制最大截止频率。截止频率大于500kHz时，不推荐使用10kΩ的数字电位器，也不建议将50kΩ数字电位器用于100kHz以上的设计或将100kΩ的数字电位器用于50kHz以上的设计。对于音频应用，所选择的电位器能够提供足够的带宽，但对于宽带应用，必须慎重考虑这一因素。

运放选择

该电路对于运算放大器的主要设计考虑是最小稳定增益和输入、输出电压摆幅。输入级接收信号并将其偏置在VCC/2直流电平，滤波器本身是单位增益放大器。为保证可靠工作，放大器必须是单位增益稳定；另外，还需选择具有满摆幅输入、输出的运算放大器，以处理接近电路供电电压的输入信号。

结论

数字电位器可用来构建数控低通滤波器，本文中的双极点滤波器能够在音频应用中提供良好的性能，选择不同的电容、电位器值可以调整滤波器的截止频率，最高可达500kHz。