基于ＭＡＸ２６０的自動跟蹤濾波器的工程設(shè)計與應(yīng)用

摘 要：為實現(xiàn)自動跟蹤信號頻率變化并除去噪聲及不需要的頻率信號輸出，根據(jù)工程項目的實際需要設(shè)計了一種能自動跟蹤信號頻率變化的極窄帶通的濾波器，濾波器主要由開關(guān)電容濾波器MAX260BCNG和鎖相芯片CD4046結(jié)合實現(xiàn)，其中心頻率在1 Hz~7-5 MHz之間調(diào)控方便。經(jīng)實際應(yīng)用，該濾波器性能可靠，可以滿足工程項目的性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：MAX260；自動跟蹤；中心頻率;時鐘信號

中圖分類號：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0507603

Research on an Automatic Tracking Filter Based on MAX260 and Its Application

YU Weiwei，YAN Detian，YANG Yue

(Test Technology and Instrument 820 Department，Shanghai Jiaotong University，Shanghai，200240，China)

Abstract：For the purpose of eliminating the noise and tracking frequency′s change automatically，the paper researches a kind of narrow-band-pass filter according to the demand of project.The filter is combined the switch capacitor filter MAX260CENG with the micropower phase-locked loop CD4046BC.The performance is reliable and its central frequency can be adjusted conveniently.In the paper，the circuit and result are given，and also can be used in the signal process.

Keywords：MAX260;automatic tracking;central frequency;clock signal

1 引 言

本文開發(fā)設(shè)計的自動跟蹤濾波系統(tǒng)用于實際工程項目位標(biāo)器陀螺章動頻率測試系統(tǒng)。位標(biāo)器是導(dǎo)彈導(dǎo)引頭(檢測目標(biāo)信號，提取制導(dǎo)信息和形成控制指令)裝置中的重要組成部分，他主要由紅外光學(xué)系統(tǒng)、陀螺跟蹤機(jī)構(gòu)等部分組成。陀螺在重力矩作用下，在旋進(jìn)的基礎(chǔ)上，還伴有上、下周期性運(yùn)動，即陀螺的自轉(zhuǎn)軸與Z軸的夾角還會在某一值附近周期性的變化。這種伴隨著的上、下運(yùn)動即位章動，需要確定其頻率并消除。實際中，我們在陀螺穩(wěn)速后外加10~70 Hz正弦波掃描信號來模擬干擾信號然后通過采集陀螺輸出信號確定章動頻率。

為了提高系統(tǒng)的精度，我們設(shè)計了一種基于MAX260的中心頻率較低的窄帶通自動跟蹤濾波器，由于實際輸出信號中還混有100 Hz左右的信號，所以需要濾除100 Hz信號并對0~70 Hz范圍內(nèi)輸出信號進(jìn)行逐頻1 Hz帶通濾波，本文給出實現(xiàn)電路，其實現(xiàn)簡單、性能可靠，具有較高的實用價值。

2 芯片介紹

本設(shè)計中重要的組成部分是開關(guān)電容濾波芯片MAX260和數(shù)字鎖相環(huán)CD4046，下面對其進(jìn)行簡要的介紹。MAX260是MAXIM公司CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，由微處理器精確控制濾波函數(shù)。他可構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波和全通濾波器，且不需外部器件。每個器件含兩個二階濾波器，在程序控制下設(shè)置中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和濾波器工作方式。輸入時鐘頻率與6位f0編程輸入代碼一起決定濾波器的中心頻率或截止頻率，不影響其他濾波參數(shù)。濾波器Q值也可獨(dú)立編程。每個濾波器的獨(dú)立時鐘輸入端可以連接晶體、FC網(wǎng)絡(luò)或外部時鐘發(fā)生器。片內(nèi)開關(guān)和電容提供反饋以控制每個濾波器的f0和Q。內(nèi)部電容的開關(guān)速率是影響這些參數(shù)精度的主要因素，盡管這些開關(guān)——電容網(wǎng)絡(luò)(SCN)實際上為采樣系統(tǒng)，但他們的特性可與連續(xù)濾波器(如RC快速濾波器)的特性相媲美。時鐘頻率與中心頻率之比保持高值，以便保持理想的二階狀態(tài)變量響應(yīng)。很重要的一點(diǎn)需注意，MAX260濾波器的內(nèi)部采樣速率為輸入時鐘頻率的一半，其原因是在內(nèi)部進(jìn)行了二分頻。該芯片采用24引腳DIP或SO封裝，具有如下特點(diǎn):

(1) 微處理器接口;

(2) 64步中心頻率控制;

(3) 128步品質(zhì)因數(shù)控制;

(4) 獨(dú)立的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)編程;

(5) 7-5 kHz的中心頻率;

(6) 單+5 V或±5 V電源電壓工作。

結(jié)合系統(tǒng)要求，我們有如下設(shè)計目標(biāo)：中心頻率在10~70 Hz之間，帶寬1 Hz。利用MAX260系列濾波器設(shè)計軟件計算出四階Chebyshev型最合適。確定工作模式為1，fCLK/f0128， Q=8。查MAX260工作手冊可知其控制字分別為：工作模式控制字(M0，M1)為(0，0)；時鐘頻率比控制字(F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5)為(0 1 0 0 1 0)；Q值控制字為(0 0 1 0 0 1 0)。這里兩個二階組采用同樣的參數(shù)設(shè)置。

CD4046是較為常用的數(shù)字鎖相環(huán)。他包括鎖相環(huán)3個基本單元構(gòu)成——相位比較器PD、壓控振蕩器VCO和低通濾波器LPF中的前兩部分，因此CD4046使用時需外接低通濾波器。CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖中包含2個相位比較器、1個壓控振蕩器、輸入信號源極跟隨器和穩(wěn)壓管，比較器有2個共同輸入信號端3號腳和14號腳，使用時一般14號腳為外部信號輸入端，3號腳為PD反饋信號輸入端。相位比較器Ⅰ是異或門，使用時要求輸入信號的占空比為50%，產(chǎn)生1個數(shù)字信號(2腳)，并在外部輸入信號與PD反饋輸入信號之間的中心頻率維持90°相移。

相位比較器Ⅱ由邏輯門控制的4個邊沿觸發(fā)器和3態(tài)輸出電路組成，不要求輸入信號的占空比為50%，產(chǎn)生數(shù)字誤差信號和相位脈沖輸出，并在外部輸入信號與PD反饋輸入信號之間保持嚴(yán)格同步，產(chǎn)生0°相移。線性VCO產(chǎn)生1個輸出信號，其頻率與VCO輸入的電壓以及連接到引出端的電容C1值及R1，R2的阻值有關(guān)。相位脈沖輸出端(1腳)，用于表示鎖定或2個信號之間的相位差。如果相位脈沖端輸出高電平，表示處于鎖定狀態(tài)。在信號輸入端無信號輸入時，壓控振蕩器被調(diào)整到最低頻率上。

3 自動跟蹤濾波器實現(xiàn)原理

本設(shè)計方框圖如圖3所示。

需要濾波的輸入信號分兩路，一路進(jìn)入濾波器MAX260；另一路進(jìn)入兩輸入施密特觸發(fā)器CD4093經(jīng)過整形之后變?yōu)榉讲ㄐ盘枺龠M(jìn)入CD4046鎖相環(huán)電路。

經(jīng)過整形后產(chǎn)生的方波其頻率與信號的頻率相等，須再經(jīng)過倍頻電路進(jìn)行頻率放大。方波進(jìn)入鎖相環(huán)CD4046，然后再輸入CD4520級聯(lián)構(gòu)成的128進(jìn)制計數(shù)器，即128倍頻之后再返回到CD4046。因此，從CD4046的4腳可以輸出128倍頻的方波信號作為MAX260的時鐘信號。經(jīng)過128倍頻之后，方波頻率fCLK=128×f0，然后進(jìn)入MAX260的11，12腳時鐘端。對于MAX260，由于之前選擇的fCLK/f0128，所以濾波之后的信號中心頻率等于送入信號的頻率，使得帶通濾波器的中心頻率f0始終跟蹤輸入信號頻率的變化。

4 應(yīng)用結(jié)果

我們在陀螺章動頻率測試系統(tǒng)中應(yīng)用上述自動跟蹤濾波器，根據(jù)系統(tǒng)要求輸入10~70 Hz進(jìn)行掃描，然后對輸出信號應(yīng)用設(shè)計的自動跟蹤濾波器，我們對濾波前后的效果進(jìn)行對比，并且引入不具備自動跟蹤效果的濾波器進(jìn)行對比，得到結(jié)果如圖5，圖6所示。

從圖5，圖6可以看出設(shè)計的自動跟蹤濾波器效果還是相當(dāng)理想的，由于工程輸入信號中混有100 Hz的干擾，如果僅僅對輸出信號采用一個簡單的低通濾波，經(jīng)過實際的試驗得知，當(dāng)對10~70 Hz頻率進(jìn)行逐頻采樣時，會發(fā)現(xiàn)信號效果不理想，由于干擾信號的存在使得信號離工程項目的采集要求有較大的差距，而自動跟蹤濾波器就可以很好地滿足該要求，其低通和極窄帶通的特性可以很好地過濾100 Hz的干擾信號，其效果如圖6所示，完全可以達(dá)到我們的設(shè)計要求。另外，當(dāng)對濾波頻率有不同要求時，可以調(diào)整低通濾波器的參數(shù)以擴(kuò)大濾波頻率范圍。本設(shè)計的濾波中心頻率范圍可擴(kuò)大至7-5 kHz。再結(jié)合對CD4046使用方法上的改進(jìn)，可設(shè)計出更高速的自動跟蹤濾波器。

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作者簡介 于巍巍 男，1982年出生，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院精密儀器系工學(xué)碩士，主要從事精密儀器和工程控制方面的研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”