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

關(guān)鍵詞：MAX260；自動(dòng)跟蹤；中心頻率;時(shí)鐘信號(hào)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤濾波系統(tǒng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目位標(biāo)器陀螺章動(dòng)頻率測(cè)試系統(tǒng)。位標(biāo)器是導(dǎo)彈導(dǎo)引頭(檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)，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(dòng)，即陀螺的自轉(zhuǎn)軸與Z軸的夾角還會(huì)在某一值附近周期性的變化。這種伴隨著的上、下運(yùn)動(dòng)即位章動(dòng)，需要確定其頻率并消除。實(shí)際中，我們?cè)谕勇莘€(wěn)速后外加10~70 Hz正弦波掃描信號(hào)來(lái)模擬干擾信號(hào)然后通過(guò)采集陀螺輸出信號(hào)確定章動(dòng)頻率。

為了提高系統(tǒng)的精度，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于MAX260的中心頻率較低的窄帶通自動(dòng)跟蹤濾波器，由于實(shí)際輸出信號(hào)中還混有100 Hz左右的信號(hào)，所以需要濾除100 Hz信號(hào)并對(duì)0~70 Hz范圍內(nèi)輸出信號(hào)進(jìn)行逐頻1 Hz帶通濾波，本文給出實(shí)現(xiàn)電路，其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性能可靠，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

2 芯片介紹

本設(shè)計(jì)中重要的組成部分是開(kāi)關(guān)電容濾波芯片MAX260和數(shù)字鎖相環(huán)CD4046，下面對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。MAX260是MAXIM公司CMOS雙二階通用開(kāi)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(gè)器件含兩個(gè)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(shí)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(gè)濾波器的獨(dú)立時(shí)鐘輸入端可以連接晶體、FC網(wǎng)絡(luò)或外部時(shí)鐘發(fā)生器。片內(nèi)開(kāi)關(guān)和電容提供反饋以控制每個(gè)濾波器的f0和Q。內(nèi)部電容的開(kāi)關(guān)速率是影響這些參數(shù)精度的主要因素，盡管這些開(kāi)關(guān)——電容網(wǎng)絡(luò)(SCN)實(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)軟件計(jì)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(cè)可知其控制字分別為：工作模式控制字(M0，M1)為(0，0)；時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)需外接低通濾波器。CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

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

相位比較器Ⅱ由邏輯門(mén)控制的4個(gè)邊沿觸發(fā)器和3態(tài)輸出電路組成，不要求輸入信號(hào)的占空比為50%，產(chǎn)生數(shù)字誤差信號(hào)和相位脈沖輸出，并在外部輸入信號(hào)與PD反饋輸入信號(hào)之間保持嚴(yán)格同步，產(chǎn)生0°相移。線(xiàn)性VCO產(chǎn)生1個(gè)輸出信號(hào)，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(gè)信號(hào)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(hào)輸入端無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，壓控振蕩器被調(diào)整到最低頻率上。

3 自動(dòng)跟蹤濾波器實(shí)現(xiàn)原理

本設(shè)計(jì)方框圖如圖3所示。

需要濾波的輸入信號(hào)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(guò)整形之后變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，再進(jìn)入CD4046鎖相環(huán)電路。

經(jīng)過(guò)整形后產(chǎn)生的方波其頻率與信號(hào)的頻率相等，須再經(jīng)過(guò)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(jí)聯(lián)構(gòu)成的128進(jìn)制計(jì)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(hào)作為MAX260的時(shí)鐘信號(hào)。經(jīng)過(guò)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(shí)鐘端。對(duì)于MAX260，由于之前選擇的fCLK/f0128，所以濾波之后的信號(hào)中心頻率等于送入信號(hào)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(hào)頻率的變化。

4 應(yīng)用結(jié)果

我們?cè)谕勇菡聞?dòng)頻率測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用上述自動(dòng)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(duì)輸出信號(hào)應(yīng)用設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤濾波器，我們對(duì)濾波前后的效果進(jìn)行對(duì)比，并且引入不具備自動(dòng)跟蹤效果的濾波器進(jìn)行對(duì)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(jì)的自動(dòng)跟蹤濾波器效果還是相當(dāng)理想的，由于工程輸入信號(hào)中混有100 Hz的干擾，如果僅僅對(duì)輸出信號(hào)采用一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波，經(jīng)過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)得知，當(dāng)對(duì)10~70 Hz頻率進(jìn)行逐頻采樣時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)效果不理想，由于干擾信號(hào)的存在使得信號(hào)離工程項(xiàng)目的采集要求有較大的差距，而自動(dòng)跟蹤濾波器就可以很好地滿(mǎn)足該要求，其低通和極窄帶通的特性可以很好地過(guò)濾100 Hz的干擾信號(hào)，其效果如圖6所示，完全可以達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求。另外，當(dāng)對(duì)濾波頻率有不同要求時(shí)，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(jì)的濾波中心頻率范圍可擴(kuò)大至7-5 kHz。再結(jié)合對(duì)CD4046使用方法上的改進(jìn)，可設(shè)計(jì)出更高速的自動(dòng)跟蹤濾波器。

參考文獻(xiàn)

［1］陳照章.帶寬可編程高速跟蹤濾波器的研制[J].信號(hào)處理，2002，18(5):456-459，447.

［2］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京:高等教育出版社，2003.

［3］李復(fù).對(duì)稱(chēng)陀螺的旋進(jìn)和章動(dòng)的簡(jiǎn)化討論[J].大學(xué)物理，1999，18(1):6-9.

［4］朗清.鎖相環(huán)CD4046應(yīng)用介紹[EB/OL].http://www.nwnu.edu.cn/wdxy/dianxie/dianzixingkong/cd4046.htm.

［5］MAXIM公司產(chǎn)品手冊(cè)[DB/OL].

［6］菅維樂(lè)，姜威，李文明，等.可編程開(kāi)關(guān)電容通用濾波器MAX260/261/262[J].國(guó)外電子元器件，2003(3):52-53.

作者簡(jiǎn)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(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>