基于LTC1068-200的低頻帶通濾波器設計

趙保洋，劉東升

（軍械工程學院 導彈工程系，河北 石家莊 050003）

隨著蓄電池廣泛地應用于各個領域，對其性能的檢測也成為人們工作的重點。目前運用較多的是交流阻抗法，即對蓄電池施加一個交流電流源，測出感應電壓，然后求出電池內阻，通過內阻來描述電池性能。由于蓄電池內阻值較小，而且為了不影響電池性能，通常施加的交流源的幅值和頻率都比較小，頻率通常在5～1 kHz之間[1－2]。因此需要通過帶通濾波器才能將這一低頻微弱信號從雜波檢測出來。文中正是針對此要求設計了濾波電路，采用LTC1068－200開關電容濾波器，可實現中心頻率的調節，通帶頻率寬度可達2 Hz，阻帶衰減達到20 dB以上。

1 開關電容濾波器的工作原理

與常規的RC濾波器相比，開關電容濾波器的極點位置不再由RC乘積來決定，而是由電容比來決定。由于電容比能夠精確地控制，而且溫度性能好，所以開關電容濾波器得到了廣泛的應用[3]。它是由模擬開關和電容組成，可以等效為一個電阻，其基本電路圖如圖1所示。

圖1 基本的開關電容電路Fig.1 Circuit of standard switch capacitance

P1，P2是模擬開關控制信號。假設V1，V2恒定，那么在0到T/2的過程中，P1閉合，P2斷開，如果開關電阻忽略且時鐘周期很長，則此期間電容C被充電至V1，電荷變化量為：

從T/2到T過程中，P1斷開P2閉合，電容C被充電至V2，這期間電荷變化為：

同理在T到3T/2過程中電荷變化為：

在周期T/2到3T/2過程中有：

在周期內平均電流為：

其中，Fclock是模擬開關控制信號的頻率。

實際上，V1和V2是隨時間變化的。然而只要時鐘頻率與信號頻率比足夠高，就可以認為 V1（t+T）與 V2（t+T）分別和 V1（t）與 V2（t）近似相等，上述各式成立。

將RC積分器中的電阻用開關電容來代替，如圖2所示。

圖2 開關電容積分器Fig.2 Switch capacitance integrator

則其傳遞函數為：

由此可以看出傳遞函數受時鐘頻率和電容比控制，一般情況下，電容比值是不變的，因此傳遞函數就由時鐘頻率來控制。

2 濾波器的設計

本設計中要求濾波器中心頻率可調，帶寬可達到5 Hz，較高Q值。擬采用LTC1068-200開關電容集成模塊，時鐘由CD4046鎖相環提供[4]。其總體設計如圖3所示。

圖3 濾波器總體框圖Fig.3 Whole case of filter

LTC1068-200包括4路通用二階濾波器，這樣就允許調整中心頻率、Q值和增益等[5]。其結構如圖4所示。

時鐘頻率由 CD4046鎖相環提供。時鐘電路采用有源晶振分頻 ，用鎖相環CD4046來進行置數 ，最終達到可置數的時鐘頻率要求。其工作原理如下:有源晶振送出4 MHz頻率 ，經過 CD4040和74LS390分頻 ，得到 100 Hz的頻率 ，經觸發器送入CD4046鎖相環 ，由CD4046和MC14522進行置數，最后得到一個Fclock=200 f0的頻率送入LTC1068-200中，如圖5所示。

圖4 LTC1068-200結構圖Fig.4 Frame of LTC1068-200

圖5 LTC1068-200實際電路Fig.5 Actual circuit of LTC1068-200

基準頻率fi在鎖相環 CD4046中的進行相位比較，最后達到 f0/N=fi，并且 f0與 fi的相位差ΔΦ=0，進入鎖定狀態。如果此后 fi又發生變化，鎖相環能再次捕獲 fi，使f0與 fi相位鎖定。除 N置數采用MC14522集成器件實現 ，其特點是不要外接門電路即可實現1/N計數分頻 ，可完成可編程序的減計數。MC14522由兩部分組成 ，一部分是可預置數的二 — 十進制減計數器 ，另一部是“0”輸出RS觸發器。MC14522有4個輸出端 Q0至Q3，內部還有1個Qc做輸出端 ，作為多級級聯所用 ，與Q0至Q3相對應的4個預置數輸入端為 P0至 P3，以及預置控制端PE。此外 ，為了完善電路的功能 ，還有1個級聯反饋輸入端 CF。電路作級聯應用時 ，由預置控制端PE將數碼0000置入計數器 ，使內部RS觸發器清零。當時鐘脈沖加入后 ，完成1/N計數 ，將使Qc輸出反饋到PE端置數，使 PE=1，在置數輸出端就可產生1至9999之間的數 ，如圖6所示。

3 仿真結果

用Multisim對電路進行仿真，選取3個中心頻率，得到3組頻率譜圖。

圖6 MC14522實際電路Fig.6 Actual circuit of MC14522

1） 時鐘頻率 fclock=200，f0=6 000 Hz，中心頻率 f0=30 Hz，將以頻率為30 Hz的正弦信號加入白噪聲信號，通過此濾波器，其通帶寬度為BW=5 Hz，Q=6，得到頻譜圖如圖7所示。

圖7 f0=30 Hz時的頻譜圖Fig.7 Spectrogram when f0=30 Hz

2）時鐘頻率 fclock=200，f0=20 kHz，中心頻率 f0=100 Hz，將以頻率為100 Hz的正弦信號加入白噪聲信號，通過此濾波器，其通帶寬度為BW=5 Hz，Q=20，得到頻譜圖如圖8所示。

圖8 f0=100 Hz時的頻譜圖Fig.8 Spectrogram when f0=100 Hz

3） 時鐘頻率 fclock=200， f0=200 kHz，中心頻率 f0=1 kHz，將以頻率為1 kHz的正弦信號加入白噪聲信號，通過此濾波器，其通帶寬度為BW=20 Hz，Q=100，得到頻譜圖如圖9所示。

4 結 論

圖9 f0=1 kHz時的頻譜圖Fig.9 Spectrogram when f0=1 kHz

將LTC1068-200開關電容濾波器組成的帶通濾波器應用于蓄電池檢測，也取得了良好的效果，實現了在強噪聲環境中提取微弱信號的功能，信號誤差不超過2%，失真度低。

開關電容濾波器由于其體積小，可通過改變開關電容的時鐘頻率來改變濾波器的特征頻率，具有較好的穩定性的特點，所以非常適合于低頻信號的處理技術中應用[6]。文中所設計的開關電容濾波器經過設計分析與仿真，數據結果表明，該濾波器中心頻率可以調節，而且濾波器帶寬也達到設計要求，驗證了該設計的可行性。

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