壓控濾波器（VCF）是一種處理器，一種濾波器，其工作特性（主要是截止頻率）可以通過施加在控制輸入端的控制電壓來控制。它可以被認為是頻率相關的放大器。 儘管通常以其在模擬音樂合成器中的使用而廣為人知，但它們在軍事和工業電子學中具有其他套用。
基本介紹
- 中文名：壓控濾波器
- 外文名：voltage-controlled filter
簡介,方法原理,LPV531及DAC101S101的特點,電源電流的控制,實現方法及原理,相關條目,
簡介
VCF允許其截止頻率和Q因子（截止頻率下的諧振）連續變化;信號輸出可以包括低通回響，高通回響，帶通回響和陷波回響。濾波器可以提供可變斜率，其確定帶通外的衰減速率，通常為6dB /倍頻程，12dB /倍頻程（'2極'濾波器）或24dB /倍頻程（'4極'濾波器）。這也因Q而異。
在模組化模擬合成器中，濾波器接收來自信號源的信號輸入，包括振盪器和噪聲，或其他處理器的輸出。通過改變截止頻率，儀器通過或衰減部分。
在一些流行的電子音樂風格中，“濾波器掃描”已成為常見的效果。通過改變VCF的截止頻率（有時非常慢）來創建這些掃描。通過瞬態電壓控制（例如包絡發生器）來控制截止，尤其是具有相對快速的攻擊設定，可以模擬自然或聲學儀器的攻擊瞬變。
歷史上，VCF包括可變反饋，其在截止頻率處產生回響峰值（Q）。該峰值可能非常突出，並且當濾波器的頻率被控制掃描時，輸入信號中存在的部分諧振。一些濾波器旨在提供足夠的反饋以進入振盪，並且它可以用作正弦波源。
ARP儀器製造了一個多功能電壓控制濾波器模組，能夠在大於100的Q值下穩定工作;像電顫琴棒一樣響起來可能是令人震驚的。 Q是電壓可控的，部分是通過面板安裝的控制。它的內部電路是一個典型的模擬計算機狀態變數“循環”，它提供正交輸出。
VCF是有源非線性濾波器的一個示例：但是，如果其控制電壓保持不變，它將表現為線性濾波器。
方法原理
在語音和音樂合成領域，常使用壓控濾波器對產生的聲音信號進行包絡整形。但由於成本高、所需外圍器件多，設計較複雜，多數此類器件不適合嵌入式系統套用。實現壓控濾波器功能的另一途徑是採用電源電流可連續調節的運算放大器，如美國國家半導體公司的LPV531型運算放大器。該放大器的電源電流可以在1uA~400uA的範圍內連續調節。放大器電源電流的調節可通過一個10位數字模擬轉換器DAC101S101進行。在該方案中，放大器的增益頻寬是電源電流的函式。圖1顯示了LPV531的電源電流對其增益頻寬和相位裕度的影響。
圖1 LPV531的增益頻寬與電源電流的關係
LPV531及DAC101S101的特點
LPV531是美國國家半導體的一款可程式、CMOS輸入、軌到軌輸出的微功率運算放大器。僅藉助一隻外置電阻即可實現對LPV531的增益頻寬調節和功率級別調節。通過改變外置電阻上的偏壓即可使LPV531在待機和滿功率模式之間進行切換。該運算放大器工作在最低頻率73KHz時的功耗僅為5uA，工作在最高頻率4.6MHz時的功耗僅為425uA。
輸入偏置電壓相對比較獨立，不會受到功率級別選擇的影響。LPV531採用了CMOS輸入級，輸入偏置電流僅有50fA，共模輸入電壓範圍可從負電壓到正電源電壓以下1.2V。同時，LPV531軌到軌的AB類輸出階使其在低電源電壓時也可以提供最大的動態範圍。在此方案中採用數字模擬轉換器調節放大器的電源電流，DAC101S101是美國國家半導體公司的一款全功能通用10位電壓輸出型數字模擬轉換器。它使用單電源供電，電壓範圍為2.7V~5.5V，在3.6V工作電壓時的電流僅為175uA。片上的輸出放大器使其輸出軌到軌擺幅。在規定的電源電壓範圍內，其三線串列接口的時鐘頻率可高達30MHz。DAC101S101串列接口兼容SPI、QSPI、MICROWIRE、以及DSP標準。
電源電流的控制
LPV531的總電源電流由流出ISEL控制引腳的電流進行動態控制(圖2)。電源電流隨ISEL線性變化，比ISEL電流高40倍。內部相對於電源負極的110mV參考電壓以及一個11k歐姆的內部電阻決定了在ISEL引腳連線到電源負極時所能輸出的最大電流。在ISEL引腳和電源負極之間串入額外的阻抗將降低ISEL引腳的輸出電流。用下式可計算出電源電流的近似值：
圖2
為了實現一個電壓控制的濾波器，必須把ISEL電流設計成依賴於電壓而不是電阻。
實現方法及原理
圖3顯示了利用DAC101S101和LPV531組成電壓控制濾波器的電路圖。圖中使用了10位數字模擬轉換器DAC101S101構成的電壓源和一個電阻分壓器來控制LPV531的ISEL引腳電流。從DAC101S101輸出的電壓通過由RSET1和RSET2組成的電阻分壓器施加到ISEL引腳。電阻分壓器的分壓比設為可把數字模擬轉換器0~5V輸出變為加到ISEL引腳0.0~0.11V電壓。這樣運算放大器LPV531的-3dB頻率就可以由施加到其ISEL引腳上的電壓來控制。
圖3.利用DAC101S101和LPV531組成的電壓控制濾波器
當控制電壓幾乎為0V時，ISEL電流由RSET1和RSET2的並聯電阻確定。當控制電壓大於零時，ISEL的電流由ISEL引腳的戴維南(Thevenin)等效電壓和阻抗確定。下式可用來計算放大器的電源電流：通常假設RSET1遠小於RSET2。這種情況下，控制電壓為0V時，ISEL電流的最大值主要由電阻RSET1確定。此外，ISEL的電流小於10uA，與電壓源電流相比很小。 圖3顯示了LVP531用作單位增益緩衝器的情況。在這類套用中，為了適應輸入和輸出的信號水平，也可以把運算放大器接成帶有一定增益的反相或非反相的放大器模式。圖4和圖5分別是控制電壓為0.5V和3.0V時的開環增益相點陣圖。
圖4 . 0.5V時的開環增益相位
圖5. 3V時的開環增益相位
相關條目
- 非線性濾波器
- 自振盪
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