使用内置滤波器提高低成本信号源的测试性能-电子发烧友网

作者： Art Pini

如果在测试时需要纯正的弦波，但只能使用谐波水平较高的任意函数发生器，该如何处理？如果您正在对两台信号发生器的输出信号进行混频，且须在混频器输出端选择上边带成分。如何做到这一点呢？解决方案是使用内置射频滤波器，例如带有 SMA 连接器的 [Crystek Corporation][CLPFL-0200]（图 1，左）和带有 BNC ·连接器的 [CLPFL-0021-BNC]（图 1，右）。

图 1：内置同轴滤波器，例如带有 SMA 连接器的 CLPFL-0200（左）或带有 BNC 连接器的 CLPFL-0021（右），可以降低信号源上的信号谐波和噪声。（图片来源：Crystek Corporation）

通过选择性地衰减不需要的频率并传递所需的频率成分，射频滤波器可以净化信号。内置滤波器适用于同轴线路，其标称阻抗为 50 欧姆 (Ω)。这种滤波器通过减少信号带宽来降低噪声，还可控制信号频谱，以减少谐波、图像和干扰信号。

滤波器的类型

内置滤波器有多重配置类型，包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器（图 2）。

图 2：所示为低通、高通和带通滤波器的频率响应情况。（图片来源：Art Pini）

低通滤波器可让低于固定截止频率的频率通过，并消除截止频率略高于基频的信号谐波。高通滤波器可让高于固定截止频率的频率通过，并消除截止频率高于电力线频率的干扰信号。带通滤波器可通过所需频带内的频率来衰减不需要的信号，并用作射频前端的预选滤波器。信号传输损耗较小的区域称为通带，信号衰减较大的区域称为阻带。通带和阻带之间的区域是过渡区域（过渡带）。

选择正确的滤波器

滤波器是针对特定的频率响应特性而设计的，具体包括从通带到阻带的过渡锐度，通带和阻带的平坦度，以及作为频率函数的相位响应。图 3 所示为几种经典设计。

图 3：多种经典滤波器的频率响应说明了滚降和平坦度特性的差异。（图片来源：Art Pini）

巴特沃斯 (Butterworth) 滤波器具有平坦的通带响应和适中的滚降率。贝塞尔 (Bessel ) 滤波器具有最线性的相位响应特性，但滚降最慢；通常用于必须以最小失真传输带限脉冲波形的情况。切比雪夫 (Chebyshev) 滤波器具有快速滚降特性，但通带中有波纹。逆切比雪夫滤波器具有平坦的通带响应和快速滚降特性，但在阻带中会有波纹。巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器是两种使用最广泛的在内置波器。

任何类型滤波器的滚降特性都会受到其阶数的影响。阶数源自滤波器的传递函数，表示设计中的极点数。一般来说，滤波器阶数越高，滚降速度越快（图 4）。

图 4：图中所示为 5 阶至 9 阶滤波器的巴特沃斯低通滤波器响应特性的比较。滤波器阶数越高，过渡区域的滚降速度越快。（图片来源：Art Pini）

Crystek 的 CLPFL-0200 是一款 7^^ 阶巴特沃斯低通滤波器，通带为 DC 至 200 兆赫 (MHz)，在 210 MHz 频率下的插入损耗为 2.2 分贝 (dB)。在 8 位模数转换器 (ADC) 上进行有效位数 (ENOB) 测量时，可以使用这种滤波器清理信号发生器的输出（图 5）。

图 5：所示为使用 200 MHz 低通滤波器消除信号发生器中的谐波和噪声的结果。滤波后的信号（下方轨迹）显著降低了噪声和谐波水平。（图片来源：Art Pini）

上方的轨迹显示信号发生器的输出频谱，其二次谐波仅比基波低 22 dB。使用滤波器（下方轨迹）后，二次谐波下降超过 70 dB，而其他谐波则低于本底噪声。还需注意，滤波器截止频率以上的本底噪声降低了 40 dB 以上。

高通滤波器消除频率低于所需信号的干扰信号（图 6）。

图 6：所示为高通滤波器，用于从所需的 30 MHz 信号中消除 13 MHz 干扰信号（上图）。滤波后的信号如下方轨迹所示。（图片来源：Art Pini）

在图 6 中，高通滤波器衰减了 13 MHz 的干扰信号并传递 30 MHz 的目标信号。在时域视图（左上）中可以看到干扰信号造成的影响，即信号峰值的幅度变化。滤波后的信号（左下）具有平坦的峰值幅度。

诸如 Crystek 的 [CHPFL-0025-BNC]的滤波器（带有 BNC 连接器的 7^^ 阶 25 MHz 切比雪夫高通滤波器）可以衰减干扰信号。

Crystek 滤波器可提供高达 9^^ 阶的配置。例如，上文提到的 CLPFL-0021-BNC 是一个 21 MHz 切比雪夫响应、9^^ 阶低通滤波器，其过渡区域滚降速率约为每倍频 55 dB。

带通滤波器通常需要比低通或高通滤波器更多的组件，这会占用更多空间并增加 BOM。Crystek 使用表面声波 (SAW) 技术解决了这个问题，使其带通滤波器能够与低通或高通滤波器封装在同一个封装中。例如，Crystek [CBPFS-0915]就是一种 SAW 带通滤波器，具有 SMA 连接器和以 915 MHz 为中心频率的 26 MHz 带宽。