蓄電池內阻測試儀前置可選頻帶通濾波器設計

黃世回，王汝鋼

(深圳普祿科智能檢測設備有限公司，廣東 深圳 518067)

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蓄電池內阻測試儀前置可選頻帶通濾波器設計

黃世回，王汝鋼

(深圳普祿科智能檢測設備有限公司，廣東 深圳 518067)

摘要：針對多頻點蓄電池內阻測試法雙低頻測試信號濾波問題，設計基于MAX267有源帶通濾波器芯片的可選頻4階切比雪夫帶通濾波器。通過改變基準輸入時鐘頻率信號，實現帶通濾波器通帶中心頻率的切換。詳細介紹了這種前置變頻帶通濾波器級聯方式、切比雪夫濾波器選型配置、可編程引腳Fn、Qn的配置方法、外圍級聯電路計算以及可變基準時鐘信號的產生方法。外圍電路十分精簡，各中心頻率通帶幅頻性能良好，滿足工程需求。

關鍵詞：MAX267；多頻點測試；可編程濾波器；帶通濾波器；切比雪夫濾波器；蓄電池內阻

引用格式：黃世回，王汝鋼. 蓄電池內阻測試儀前置可選頻帶通濾波器設計[J].微型機與應用，2016,35(12)：39-41.

0引言

蓄電池Thevinen模型的蓄電池內阻是反映蓄電池狀態的重要參數。目前多頻點內阻測試法是辨識該模型先進有效的技術。參考文獻[1]詳細介紹這種方法的原理。Thevene模型中的極化電阻和極化電容對測試信號極為敏感，需要窄通帶幅頻好的濾波器。采用集成運放芯片LM324N設計帶通濾波單元，只能滿足單一中心頻率帶通濾波，對于不同頻率點，需要重復設計兩個以上濾波電路單元，且由于外圍R-C元器件太多[2-4]，使得一致性很難把握，濾波器的中心增益變化，導致測出的阻值過于波動，進而惡化了儀器的空間布局。因此，選用有源濾波芯片MAX267，設計可選頻帶的帶通濾波器，極大地縮小了電路空間布局，適合手持便攜式的內阻測試儀的技術要求。

1有源濾波芯片MAX267簡介

1.1MAX267芯片簡介

圖1　MAX267內部電路原框圖

MAX267是美國Maxim公司推出的CMOS雙二階開關電容有源濾波器芯片，應用廣泛。其內部電路結構如圖1所示。芯片內部包含兩個獨立且性能相同的二階濾波單元，可通過外圍匹配的電阻電容構成級聯反饋網絡，設計4階、6階、8階甚至更高階的多級反饋帶通濾波器，可實現切比雪夫、巴特沃斯、貝塞爾、橢圓等類型[5]。

濾波芯片的中心頻率f0和品質因數Q可以通過相應功能引腳進行編碼實現。芯片的外部輸入時鐘fCLK范圍為40 Hz～4 MHz，由Fn系列引腳編碼配置來決定輸入時鐘頻率與中心頻率的比值M，中心頻率可以選擇的范圍為0.4 Hz～40 kHz。品質因數Q值由Qn系列引腳控制。對這些功能引腳的編碼配置，可改變參考時鐘頻率輸入，方便靈活地設計相應的中心頻率和品質因數的帶通濾波器。

1.2帶通特性

帶通的傳遞函數如下：

(1)

其中：HOBP是帶通輸出在ω=ω0處的增益。

中心頻率f0：

(2)

品質因數Q：

(3)

下邊帶0.707 dB截止頻率fL：

(4)

上邊帶0.707 dB截止頻率fH：

(5)

MAX267只有模式1的工作狀態，有最高的帶寬選擇，帶通濾波器的中心頻率的增益HOPB僅由Q決定。

2基于MAX267可選頻帶通濾波器設計

2.1Fn、Q值與濾波電路計算

設計實驗從2.5 Hz、5 Hz 選擇其一作為第一頻，第二頻率為10 Hz，通帶最小帶寬BW分別為5±0.5、10±0.8、15±1 Hz。選k=4階切比雪夫型帶通濾波器，通帶波紋1 dB，通帶的幅頻特性要求平緩，有非常優質的噪聲性能[6]，過渡帶較窄。電路圖如圖2所示。

圖2　級聯4階帶通電路原理圖

以下計算以中心頻率2.5 Hz為例。

(1)總品質因數QF：

查MAX267芯片手冊的Q取值表，取0.504最為接近，則Qn的編碼Q0～Q6為：1000000。4階切比雪夫濾波器補償系數為K0=1.093 0，K2=1.503 9，KQ=1.821 9。

(2)二階單元品質因數QR

QR=QF×KQ=0.5×1.821=0.909

(3)外圍級聯電阻

常規取RF=10 kΩ；濾波器增益HOBP=1。

(4)電容C6取值3 pF，2.5 pF～10 pF之間。

(5)

由于MAX267只工作在模式1情況下，參照芯片手冊，取fCLK/f0=100.53，相應Fn腳的編碼F0～F4為：00000。

2.2時鐘fCLK

MAX267是利用M=(fCLK/f0)的比例倍數選擇中心頻率。時鐘的精確度影響到中心頻率的偏移程度。這里利用單片機的時鐘計數器T0，通過相應配置，產生250、500、1 000 Hz的PWM時鐘fCLK信號[7]，實現了可選中心頻率的功能。圖3為fCLK=250 Hz的PWM波時鐘信號。

3實驗驗證與分析

用頻率發生器給出基帶信號，通道CH1檢測濾波器輸出信號，通道Cp檢測輸入基帶信號。調節頻率發生器輸出的頻率，驗證濾波器的通帶效果。圖4、圖5給出了中心頻率點衰減3 dB上下截止頻率點的波形圖。Cp輸入信號的VPP為5 V±0.15 V。

從圖4的波形圖可以看出，中心頻率2.5 Hz濾波器輸出信號峰峰值幅度有所衰減，從5 V衰減到3.52 V，左半邊通帶的波形有失真現象。圖5中，5 Hz的濾波器中心頻率點偏移微小，中心頻率點的幅度幾乎沒有衰減。由于外圍的元器件實際參數值與理論計算值有誤差，實際生成時鐘信號頻率與理論計算值有微小偏差，綜合造成了濾波器中心頻率點極微小的偏移，但是仍然是屬于通帶范圍內的。由于Q值固定，帶寬隨著中心頻率點變化而改變。比較3 dB處的上下截止頻率，2.5 Hz與5 Hz的波形，5 Hz明顯優于2.5 Hz，所以內阻測試信號的第一頻率選擇5 Hz較為合適。表1給出了通帶數據。

表1中，中心頻率2.5 Hz的帶通濾波器的帶寬約為4.6 Hz。中心頻率5 Hz的帶通濾波器帶寬約為10.2 Hz。中心頻率10 Hz的帶通濾波器的帶寬約為15.5 Hz。切比雪夫濾波器的幅頻特性，左半邊帶幅度衰減速度明顯快于右半邊帶寬幅度衰減速度，工程應用中是滿足條件的。

表1　各中心頻率帶通濾波器通帶數據

圖3　 fCLK=250 Hz時鐘信號

圖4　 f0=2.5 Hz通帶波形

圖5　 f0=5 Hz通帶波形

4結論

基于MAX267開關電容濾波芯片，通過單片機計數器產生可變頻率參考時鐘fCLK，成功實現了可變中心頻率的切比雪夫型4階帶通濾波器，在較窄帶寬10 Hz、15 Hz通帶內，中心頻率點附近通帶幅頻特性平緩，滿足了多頻點蓄電池內阻測試第一、第二測試信號的濾波要求，電路精簡，適合手持儀表對硬件空間緊湊的要求。

參考文獻

[1] 楊忠亮，王汝鋼，黃世回．一種新的基于模型的蓄電池檢測技術[J]．蓄電池，2014,51(2)：93-96．

[2] 楊倬，張效民，楊俊飛．基于LMF100的有源帶通濾波器的設計[J]．微處理機，2006, 27(1):77-78．

[3] 謝俊,余水寶,田聰，等.無源濾波器優化設計方法研究[J].微型機與應用,2015,34(3):95-98．

[4] 陳海亮,劉鑫,任勇峰，等.開關電容濾波器混疊效應仿真及抑制[J].電子技術應用,2014,40(7):37-39,43.

[5] 羿颯，田遠富．MAX26_系列數字編碼式濾波器的使用方法[J]．四川大學學報(工程科學版)，2000,32(3):58-60．

[6] 楊凱 ，王春華 ，戴普興．一種3～5 GHz連續增益可調CMOS超寬帶LNA的設計[J]．微電子學，2008, 38(2):275-279．

[7] 李一波， 高永霞． 系留飛艇地面監測系統艇載控制模塊設計 [J]．電子技術應用，2010，36(11)：52-55．

中圖分類號：TN609；TN911.71；TM932

文獻標識碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.013

(收稿日期：2016-02-23)

作者簡介：

黃世回(1982-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：電能質量分析、數字信號處理、蓄電池能源管理算法等。E-mail：cjcj_55@163.com。

王汝鋼(1964-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：智能檢測儀表。

Design of optional frequency band pass prefilter for battery internal resistance tester

Huang Shihui，Wang Rugang

(Shenzhen Pluke Intelligent Test Equipment Co., Ltd., Shenzhen 518067, China)

Abstract:Aiming at the filtering problem of low double-frequency test signal in battery internal resistance test,this paper puts forward a design based on MAX267 active band-pass filter chip optional frequency 4 order Chebyshev band pass filter. By changing the reference input clock frequency signal,it realizes the band-pass filter center frequency switching.It gives cascade way of the variable frequency band pass prefilter,configuration of chebyshev filter,configuration method of programmable pins of Fn and Qn ,calculation of peripheral cascade circuit and generation method of variable reference clock signal in detail.The peripheral circuit is very simple. The center frequency pass band performance is good for the engineering requirements.

Key words:MAX267; multi-frequency test; programmable filter; band-pass filter; Chebyshev filter;battery internal resistance