基于ＭＡＸ２６０的自動跟蹤濾波器的工程設計與應用

摘 要：為實現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，根據工程項目的實際需要設計了一種能自動跟蹤信號頻率變化的極窄帶通的濾波器，濾波器主要由開關電容濾波器MAX260BCNG和鎖相芯片CD4046結合實現，其中心頻率在1 Hz~7-5 MHz之間調控方便。經實際應用，該濾波器性能可靠，可以滿足工程項目的性能指標。

關鍵詞：MAX260；自動跟蹤；中心頻率;時鐘信號

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：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

本文開發設計的自動跟蹤濾波系統用于實際工程項目位標器陀螺章動頻率測試系統。位標器是導彈導引頭(檢測目標信號，提取制導信息和形成控制指令)裝置中的重要組成部分，他主要由紅外光學系統、陀螺跟蹤機構等部分組成。陀螺在重力矩作用下，在旋進的基礎上，還伴有上、下周期性運動，即陀螺的自轉軸與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、下運動即位章動，需要確定其頻率并消除。實際中，我們在陀螺穩速后外加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。

為了提高系統的精度，我們設計了一種基于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范圍內輸出信號進行逐頻1 Hz帶通濾波，本文給出實現電路，其實現簡單、性能可靠，具有較高的實用價值。

2 芯片介紹

本設計中重要的組成部分是開關電容濾波芯片MAX260和數字鎖相環CD4046，下面對其進行簡要的介紹。MAX260是MAXIM公司CMOS雙二階通用開關電容有源濾波器，由微處理器精確控制濾波函數。他可構成各種帶通、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，在程序控制下設置中心頻率f0、品質因數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。濾波器Q值也可獨立編程。每個濾波器的獨立時鐘輸入端可以連接晶體、FC網絡或外部時鐘發生器。片內開關和電容提供反饋以控制每個濾波器的f0和Q。內部電容的開關速率是影響這些參數精度的主要因素，盡管這些開關——電容網絡(SCN)實際上為采樣系統，但他們的特性可與連續濾波器(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變量響應。很重要的一點需注意，MAX260濾波器的內部采樣速率為輸入時鐘頻率的一半，其原因是在內部進行了二分頻。該芯片采用24引腳DIP或SO封裝，具有如下特點:

(1) 微處理器接口;

(2) 64步中心頻率控制;

(3) 128步品質因數控制;

(4) 獨立的中心頻率和品質因數編程;

(5) 7-5 kHz的中心頻率;

(6) 單+5 V或±5 V電源電壓工作。

結合系統要求，我們有如下設計目標：中心頻率在10~70 Hz之間，帶寬1 Hz。利用MAX260系列濾波器設計軟件計算出四階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，F1，F2，F3，F4，F5)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設置。

CD4046是較為常用的數字鎖相環。他包括鎖相環3個基本單元構成——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的內部結構見圖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%，產生1個數字信號(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個邊沿觸發器和3態輸出電路組成，不要求輸入信號的占空比為50%，產生數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格同步，產生0°相移。線性VCO產生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。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。在信號輸入端無信號輸入時，壓控振蕩器被調整到最低頻率上。

3 自動跟蹤濾波器實現原理

本設計方框圖如圖3所示。

需要濾波的輸入信號分兩路，一路進入濾波器MAX260；另一路進入兩輸入施密特觸發器CD4093經過整形之后變為方波信號，再進入CD4046鎖相環電路。

經過整形后產生的方波其頻率與信號的頻率相等，須再經過倍頻電路進行頻率放大。方波進入鎖相環CD4046，然后再輸入CD4520級聯構成的128進制計數器，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。經過128倍頻之后，方波頻率fCLK=128×f0，然后進入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 應用結果

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

從圖5，圖6可以看出設計的自動跟蹤濾波器效果還是相當理想的，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，經過實際的試驗得知，當對10~70 Hz頻率進行逐頻采樣時，會發現信號效果不理想，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，完全可以達到我們的設計要求。另外，當對濾波頻率有不同要求時，可以調整低通濾波器的參數以擴大濾波頻率范圍。本設計的濾波中心頻率范圍可擴大至7-5 kHz。再結合對CD4046使用方法上的改進，可設計出更高速的自動跟蹤濾波器。

參考文獻

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

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