蓄电池内阻测试仪前置可选频带通滤波器设计

2016-07-01 09:06

关键词: MAX267 多频点测试 可编程滤波器 带通滤波器

  黄世回,王汝钢

  (深圳普禄科智能检测设备有限公司,广东 深圳 518067)

  摘要:针对多频点蓄电池内阻测试法双低频测试信号滤波问题,设计基于MAX267有源带通滤波器芯片的可选频4阶切比雪夫带通滤波器。通过改变基准输入时钟频率信号,实现带通滤波器通带中心频率的切换。详细介绍了这种前置变频带通滤波器级联方式、切比雪夫滤波器选型配置、可编程引脚Fn、Qn的配置方法、外围级联电路计算以及可变基准时钟信号的产生方法。外围电路十分精简,各中心频率通带幅频性能良好,满足工程需求。

  关键词:MAX267;多频点测试可编程滤波器;带通滤波器;切比雪夫滤波器;蓄电池内阻

0引言

  蓄电池Thevinen模型的蓄电池内阻是反映蓄电池状态的重要参数。目前多频点内阻测试法是辨识该模型先进有效的技术。参考文献[1]详细介绍这种方法的原理。Thevene模型中的极化电阻和极化电容对测试信号极为敏感,需要窄通带幅频好的滤波器。采用集成运放芯片LM324N设计带通滤波单元,只能满足单一中心频率带通滤波,对于不同频率点,需要重复设计两个以上滤波电路单元,且由于外围RC元器件太多[24],使得一致性很难把握,滤波器的中心增益变化,导致测出的阻值过于波动,进而恶化了仪器的空间布局。因此,选用有源滤波芯片MAX267,设计可选频带的带通滤波器,极大地缩小了电路空间布局,适合手持便携式的内阻测试仪的技术要求。

1有源滤波芯片MAX267简介

  1.1MAX267芯片简介

  MAX267是美国Maxim公司推出的CMOS双二阶开关电容有源滤波器芯片,应用广泛。其内部电路结构如示。芯片内部包含两个独立且性能相同的二阶滤波单元,可通过外围匹配的电阻电容构成级联反馈网络,设计4阶、6阶、8阶甚至更高阶的多级反馈带通滤波器,可实现切比雪夫、巴特沃斯、贝塞尔、椭圆等类型[5]。

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  滤波芯片的中心频率f0和品质因数Q可以通过相应功能引脚进行编码实现。芯片的外部输入时钟fCLK范围为40 Hz~4 MHz,由Fn系列引脚编码配置来决定输入时钟频率与中心频率的比值M,中心频率可以选择的范围为0.4 Hz~40 kHz。品质因数Q值由Qn系列引脚控制。对这些功能引脚的编码配置,可改变参考时钟频率输入,方便灵活地设计相应的中心频率和品质因数的带通滤波器。

  1.2带通特性

  带通的传递函数如下:

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  其中:HOBP是带通输出在ω=ω0 处的增益。

  中心频率f0:

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  MAX267只有模式1的工作状态,有最高的带宽选择,带通滤波器的中心频率的增益HOPB仅由Q决定。

2基于MAX267可选频带通滤波器设计

  2.1Fn、Q值与滤波电路计算

  设计实验从2.5 Hz、5 Hz 选择其一作为第一频,第二频率为10 Hz,通带最小带宽BW分别为5±0.5、10±0.8、15±1 Hz。选k=4阶切比雪夫型带通滤波器,通带波纹1 dB,通带的幅频特性要求平缓,有非常优质的噪声性能[6],过渡带较窄。电路图如图2所示。以下计算以中心频率2.5 Hz为例。

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  (1)总品质因数QF:

  QF=f0BW=2.5 Hz5 Hz=0.5

  查MAX267芯片手册的Q取值表,取0.504最为接近,则Qn的编码Q0~Q6为:1000000。4阶切比雪夫滤波器补偿系数为K0=1.093 0,K2=1.503 9,KQ=1.821 9。

  (2)二阶单元品质因数QR

  QR=QF×KQ=0.5×1.821=0.909

  (3)外围级联电阻

  R2=K2RF(QR2)2=1.503 9×10(0.9092)2=3.1 kΩ

  常规取RF=10 kΩ;滤波器增益HOBP=1。

  (4)电容C6取值3 pF,2.5 pF~10 pF之间。

  R0=K0RF(QR2)m/HOBP=1.093 0×10(0.9092)2=2.26 kΩ(5)

  由于MAX267只工作在模式1情况下,参照芯片手册,取fCLK /f0=100.53,相应Fn 脚的编码F0~ F4为:00000。

  2.2时钟fCLK

  MAX267是利用M=(fCLK/f0)的比例倍数选择中心频率。时钟的精确度影响到中心频率的偏移程度。这里利用单片机的时钟计数器T0,通过相应配置,产生250、500、1 000 Hz的PWM时钟fCLK信号[7],实现了可选中心频率的功能。图3为fCLK=250 Hz的PWM波时钟信号。

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3实验验证与分析

  用频率发生器给出基带信号,通道CH1检测滤波器输出信号,通道CH2检测输入基带信号。调节频率发生器输出的频率,验证滤波器的通带效果。图4、图5给出了中心频率点衰减3 dB上下截止频率点的波形图。CH2输入信号的VPP为5 V±0.15 V。

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  从图4的波形图可以看出,中心频率2.5 Hz滤波器输出信号峰峰值幅度有所衰减,从5 V衰减到3.52 V,左半边通带的波形有失真现象。图5中,5 Hz的滤波器中心频率点偏移微小,中心频率点的幅度几乎没有衰减。由于外围的元器件实际参数值与理论计算值有误差,实际生成时钟信号频率与理论计算值有微小偏差,综合造成了滤波器中心频率点极微小的偏移,但是仍然是属于通带范围内的。由于Q值固定,带宽随着中心频率点变化而改变。比较3 dB处的上下截止频率,2.5 Hz与5 Hz的波形,5 Hz明显优于2.5 Hz,所以内阻测试信号的第一频率选择5 Hz较为合适。表1给出了通带数据。

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  表1中,中心频率2.5 Hz的带通滤波器的带宽约为4.6 Hz。中心频率5 Hz的带通滤波器带宽约为10.2 Hz。中心频率10 Hz的带通滤波器的带宽约为图5 f0=5 Hz通带波形15.5 Hz。切比雪夫滤波器的幅频特性,左半边带幅度衰减速度明显快于右半边带宽幅度衰减速度,工程应用中是满足条件的。

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4结论

  基于MAX267开关电容滤波芯片,通过单片机计数器产生可变频率参考时钟fCLK,成功实现了可变中心频率的切比雪夫型4阶带通滤波器,在较窄带宽10 Hz、15 Hz通带内,中心频率点附近通带幅频特性平缓,满足了多频点蓄电池内阻测试第一、第二测试信号的滤波要求,电路精简,适合手持仪表对硬件空间紧凑的要求。

参考文献

  [1] 杨忠亮,王汝钢,黄世回.一种新的基于模型的蓄电池检测技术[J].蓄电池,2014,51(2):9396.

  [2] 杨倬,张效民,杨俊飞.基于LMF100的有源带通滤波器的设计[J].微处理机,2006, 27(1):7778.

  [3] 谢俊,余水宝,田聪,等.无源滤波器优化设计方法研究[J].微型机与应用,2015,34(3):9598.

  [4] 陈海亮,刘鑫,任勇峰,等.开关电容滤波器混叠效应仿真及抑制[J].电子技术应用,2014,40(7):3739,43.

  [5] 羿飒,田远富.MAX26_系列数字编码式滤波器的使用方法[J].四川大学学报(工程科学版),2000,32(3):5860.

  [6] 杨凯 ,王春华 ,戴普兴.一种3~5 GHz连续增益可调CMOS超宽带LNA的设计[J].微电子学,2008, 38(2):275279.

  [7] 李一波, 高永霞. 系留飞艇地面监测系统艇载控制模块设计 [J].电子技术应用,2010,36(11):5255.