基于LTC1068-200的低频带通滤波器设计

赵保洋，刘东升

（军械工程学院 导弹工程系，河北 石家庄 050003）

随着蓄电池广泛地应用于各个领域，对其性能的检测也成为人们工作的重点。目前运用较多的是交流阻抗法，即对蓄电池施加一个交流电流源，测出感应电压，然后求出电池内阻，通过内阻来描述电池性能。由于蓄电池内阻值较小，而且为了不影响电池性能，通常施加的交流源的幅值和频率都比较小，频率通常在5～1 kHz之间[1－2]。因此需要通过带通滤波器才能将这一低频微弱信号从杂波检测出来。文中正是针对此要求设计了滤波电路，采用LTC1068－200开关电容滤波器，可实现中心频率的调节，通带频率宽度可达2 Hz，阻带衰减达到20 dB以上。

1 开关电容滤波器的工作原理

与常规的RC滤波器相比，开关电容滤波器的极点位置不再由RC乘积来决定，而是由电容比来决定。由于电容比能够精确地控制，而且温度性能好，所以开关电容滤波器得到了广泛的应用[3]。它是由模拟开关和电容组成，可以等效为一个电阻，其基本电路图如图1所示。

图1 基本的开关电容电路Fig.1 Circuit of standard switch capacitance

P1，P2是模拟开关控制信号。假设V1，V2恒定，那么在0到T/2的过程中，P1闭合，P2断开，如果开关电阻忽略且时钟周期很长，则此期间电容C被充电至V1，电荷变化量为：

从T/2到T过程中，P1断开P2闭合，电容C被充电至V2，这期间电荷变化为：

同理在T到3T/2过程中电荷变化为：

在周期T/2到3T/2过程中有：

在周期内平均电流为：

其中，Fclock是模拟开关控制信号的频率。

实际上，V1和V2是随时间变化的。然而只要时钟频率与信号频率比足够高，就可以认为 V1（t+T）与 V2（t+T）分别和 V1（t）与 V2（t）近似相等，上述各式成立。

将RC积分器中的电阻用开关电容来代替，如图2所示。

图2 开关电容积分器Fig.2 Switch capacitance integrator

则其传递函数为：

由此可以看出传递函数受时钟频率和电容比控制，一般情况下，电容比值是不变的，因此传递函数就由时钟频率来控制。

2 滤波器的设计

本设计中要求滤波器中心频率可调，带宽可达到5 Hz，较高Q值。拟采用LTC1068-200开关电容集成模块，时钟由CD4046锁相环提供[4]。其总体设计如图3所示。

图3 滤波器总体框图Fig.3 Whole case of filter

LTC1068-200包括4路通用二阶滤波器，这样就允许调整中心频率、Q值和增益等[5]。其结构如图4所示。

时钟频率由 CD4046锁相环提供。时钟电路采用有源晶振分频 ，用锁相环CD4046来进行置数 ，最终达到可置数的时钟频率要求。其工作原理如下:有源晶振送出4 MHz频率 ，经过 CD4040和74LS390分频 ，得到 100 Hz的频率 ，经触发器送入CD4046锁相环 ，由CD4046和MC14522进行置数，最后得到一个Fclock=200 f0的频率送入LTC1068-200中，如图5所示。

图4 LTC1068-200结构图Fig.4 Frame of LTC1068-200

图5 LTC1068-200实际电路Fig.5 Actual circuit of LTC1068-200

基准频率fi在锁相环 CD4046中的进行相位比较，最后达到 f0/N=fi，并且 f0与 fi的相位差ΔΦ=0，进入锁定状态。如果此后 fi又发生变化，锁相环能再次捕获 fi，使f0与 fi相位锁定。除 N置数采用MC14522集成器件实现 ，其特点是不要外接门电路即可实现1/N计数分频 ，可完成可编程序的减计数。MC14522由两部分组成 ，一部分是可预置数的二 — 十进制减计数器 ，另一部是“0”输出RS触发器。MC14522有4个输出端 Q0至Q3，内部还有1个Qc做输出端 ，作为多级级联所用 ，与Q0至Q3相对应的4个预置数输入端为 P0至 P3，以及预置控制端PE。此外 ，为了完善电路的功能 ，还有1个级联反馈输入端 CF。电路作级联应用时 ，由预置控制端PE将数码0000置入计数器 ，使内部RS触发器清零。当时钟脉冲加入后 ，完成1/N计数 ，将使Qc输出反馈到PE端置数，使 PE=1，在置数输出端就可产生1至9999之间的数 ，如图6所示。

3 仿真结果

用Multisim对电路进行仿真，选取3个中心频率，得到3组频率谱图。

图6 MC14522实际电路Fig.6 Actual circuit of MC14522

1） 时钟频率 fclock=200，f0=6 000 Hz，中心频率 f0=30 Hz，将以频率为30 Hz的正弦信号加入白噪声信号，通过此滤波器，其通带宽度为BW=5 Hz，Q=6，得到频谱图如图7所示。

图7 f0=30 Hz时的频谱图Fig.7 Spectrogram when f0=30 Hz

2）时钟频率 fclock=200，f0=20 kHz，中心频率 f0=100 Hz，将以频率为100 Hz的正弦信号加入白噪声信号，通过此滤波器，其通带宽度为BW=5 Hz，Q=20，得到频谱图如图8所示。

图8 f0=100 Hz时的频谱图Fig.8 Spectrogram when f0=100 Hz

3） 时钟频率 fclock=200， f0=200 kHz，中心频率 f0=1 kHz，将以频率为1 kHz的正弦信号加入白噪声信号，通过此滤波器，其通带宽度为BW=20 Hz，Q=100，得到频谱图如图9所示。

4 结 论

图9 f0=1 kHz时的频谱图Fig.9 Spectrogram when f0=1 kHz

将LTC1068-200开关电容滤波器组成的带通滤波器应用于蓄电池检测，也取得了良好的效果，实现了在强噪声环境中提取微弱信号的功能，信号误差不超过2%，失真度低。

开关电容滤波器由于其体积小，可通过改变开关电容的时钟频率来改变滤波器的特征频率，具有较好的稳定性的特点，所以非常适合于低频信号的处理技术中应用[6]。文中所设计的开关电容滤波器经过设计分析与仿真，数据结果表明，该滤波器中心频率可以调节，而且滤波器带宽也达到设计要求，验证了该设计的可行性。

[1]黄小军，陈丰，黄济青.蓄电池的内阻测量方法[J].当代通信-蓄电池专题，2006（3）:59-61.HUANG Xiao-jun， CHEN Feng， HUANG Ji-qing.Measurement of battery essential[J].Modern Communication，2006（4）：59-61.

[2]李芳培，毛建国.基于交流阻抗法的蓄电池内阻测量[J].重庆工学院学报：自然科学版，2009，23（9）:93-98.LI Fang-pei，MAO Jian-guo.Battery internal resistance measurement using AC impendent method[J].Journal of Chongqing Institute of Technology：Natural Science Editor，2009，23（9）：93-98.

[3]鲁顺昌.开关电容带通滤波器设计原理[J].西华大学学报：自然科学版，2006，25（5）:51-53.LU Shun-chang.Design principle of switching capacitor band-passfilter[J].JournalofXihua University：Natural science Editor，2006，25（5）：51-53.

[4]孙淑琴，林君，王应吉.中心频率可调节的低频带通滤波器设计与实现[J].电子测量与仪器学报，2006，20（6）:59-62.SUN Shu-qin， LIN Jun， WANG Ying-ji.Design and realization on the low frequency band pass filter with centre frequency ajustment[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument， 2006，20（6）：59-62.

[5]Arthur B W，Fred J.电子滤波器设计[M].宁彦卿，姚金科，译.北京：电子工业出版社，2008.

[6]蒋敏.铅蓄电池检测系统研究[D].石家庄：军械工程学院，2005.