蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀前置可選頻帶通濾波器設(shè)計(jì)

黃世回，王汝鋼

(深圳普祿科智能檢測(cè)設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518067)

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蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀前置可選頻帶通濾波器設(shè)計(jì)

黃世回，王汝鋼

(深圳普祿科智能檢測(cè)設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518067)

摘要：針對(duì)多頻點(diǎn)蓄電池內(nèi)阻測(cè)試法雙低頻測(cè)試信號(hào)濾波問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(guò)改變基準(zhǔn)輸入時(shí)鐘頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)帶通濾波器通帶中心頻率的切換。詳細(xì)介紹了這種前置變頻帶通濾波器級(jí)聯(lián)方式、切比雪夫?yàn)V波器選型配置、可編程引腳Fn、Qn的配置方法、外圍級(jí)聯(lián)電路計(jì)算以及可變基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生方法。外圍電路十分精簡(jiǎn)，各中心頻率通帶幅頻性能良好，滿(mǎn)足工程需求。

關(guān)鍵詞：MAX267；多頻點(diǎn)測(cè)試；可編程濾波器；帶通濾波器；切比雪夫?yàn)V波器；蓄電池內(nèi)阻

引用格式：黃世回，王汝鋼. 蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀前置可選頻帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(12)：39-41.

0引言

蓄電池Thevinen模型的蓄電池內(nèi)阻是反映蓄電池狀態(tài)的重要參數(shù)。目前多頻點(diǎn)內(nèi)阻測(cè)試法是辨識(shí)該模型先進(jìn)有效的技術(shù)。參考文獻(xiàn)[1]詳細(xì)介紹這種方法的原理。Thevene模型中的極化電阻和極化電容對(duì)測(cè)試信號(hào)極為敏感，需要窄通帶幅頻好的濾波器。采用集成運(yùn)放芯片LM324N設(shè)計(jì)帶通濾波單元，只能滿(mǎn)足單一中心頻率帶通濾波，對(duì)于不同頻率點(diǎn)，需要重復(fù)設(shè)計(jì)兩個(gè)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(dǎo)致測(cè)出的阻值過(guò)于波動(dòng)，進(jìn)而惡化了儀器的空間布局。因此，選用有源濾波芯片MAX267，設(shè)計(jì)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(nèi)阻測(cè)試儀的技術(shù)要求。

1有源濾波芯片MAX267簡(jiǎn)介

1.1MAX267芯片簡(jiǎn)介

圖1　MAX267內(nèi)部電路原框圖

MAX267是美國(guó)Maxim公司推出的CMOS雙二階開(kāi)關(guān)電容有源濾波器芯片，應(yīng)用廣泛。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。芯片內(nèi)部包含兩個(gè)獨(dú)立且性能相同的二階濾波單元，可通過(guò)外圍匹配的電阻電容構(gòu)成級(jí)聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)4階、6階、8階甚至更高階的多級(jí)反饋帶通濾波器，可實(shí)現(xiàn)切比雪夫、巴特沃斯、貝塞爾、橢圓等類(lèi)型[5]。

濾波芯片的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q可以通過(guò)相應(yīng)功能引腳進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)。芯片的外部輸入時(shí)鐘fCLK范圍為40 Hz～4 MHz，由Fn系列引腳編碼配置來(lái)決定輸入時(shí)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(zhì)因數(shù)Q值由Qn系列引腳控制。對(duì)這些功能引腳的編碼配置，可改變參考時(shí)鐘頻率輸入，方便靈活地設(shè)計(jì)相應(yīng)的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的帶通濾波器。

1.2帶通特性

帶通的傳遞函數(shù)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(zhì)因數(shù)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(tài)，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(shè)計(jì)

2.1Fn、Q值與濾波電路計(jì)算

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(yōu)質(zhì)的噪聲性能[6]，過(guò)渡帶較窄。電路圖如圖2所示。

圖2　級(jí)聯(lián)4階帶通電路原理圖

以下計(jì)算以中心頻率2.5 Hz為例。

(1)總品質(zhì)因數(shù)QF：

查MAX267芯片手冊(cè)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?yàn)V波器補(bǔ)償系數(shù)為K0=1.093 0，K2=1.503 9，KQ=1.821 9。

(2)二階單元品質(zhì)因數(shù)QR

QR=QF×KQ=0.5×1.821=0.909

(3)外圍級(jí)聯(lián)電阻

常規(guī)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(cè)，取fCLK/f0=100.53，相應(yīng)Fn腳的編碼F0～F4為：00000。

2.2時(shí)鐘fCLK

MAX267是利用M=(fCLK/f0)的比例倍數(shù)選擇中心頻率。時(shí)鐘的精確度影響到中心頻率的偏移程度。這里利用單片機(jī)的時(shí)鐘計(jì)數(shù)器T0，通過(guò)相應(yīng)配置，產(chǎn)生250、500、1 000 Hz的PWM時(shí)鐘fCLK信號(hào)[7]，實(shí)現(xiàn)了可選中心頻率的功能。圖3為fCLK=250 Hz的PWM波時(shí)鐘信號(hào)。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

用頻率發(fā)生器給出基帶信號(hào)，通道CH1檢測(cè)濾波器輸出信號(hào)，通道Cp檢測(cè)輸入基帶信號(hào)。調(diào)節(jié)頻率發(fā)生器輸出的頻率，驗(yàn)證濾波器的通帶效果。圖4、圖5給出了中心頻率點(diǎn)衰減3 dB上下截止頻率點(diǎn)的波形圖。Cp輸入信號(hào)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(hào)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(xiàn)象。圖5中，5 Hz的濾波器中心頻率點(diǎn)偏移微小，中心頻率點(diǎn)的幅度幾乎沒(méi)有衰減。由于外圍的元器件實(shí)際參數(shù)值與理論計(jì)算值有誤差，實(shí)際生成時(shí)鐘信號(hào)頻率與理論計(jì)算值有微小偏差，綜合造成了濾波器中心頻率點(diǎn)極微小的偏移，但是仍然是屬于通帶范圍內(nèi)的。由于Q值固定，帶寬隨著中心頻率點(diǎn)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(yōu)于2.5 Hz，所以?xún)?nèi)阻測(cè)試信號(hào)的第一頻率選擇5 Hz較為合適。表1給出了通帶數(shù)據(jù)。

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?yàn)V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(yīng)用中是滿(mǎn)足條件的。

表1　各中心頻率帶通濾波器通帶數(shù)據(jù)

圖3　 fCLK=250 Hz時(shí)鐘信號(hào)

圖4　 f0=2.5 Hz通帶波形

圖5　 f0=5 Hz通帶波形

4結(jié)論

基于MAX267開(kāi)關(guān)電容濾波芯片，通過(guò)單片機(jī)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生可變頻率參考時(shí)鐘fCLK，成功實(shí)現(xiàn)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(nèi)，中心頻率點(diǎn)附近通帶幅頻特性平緩，滿(mǎn)足了多頻點(diǎn)蓄電池內(nèi)阻測(cè)試第一、第二測(cè)試信號(hào)的濾波要求，電路精簡(jiǎn)，適合手持儀表對(duì)硬件空間緊湊的要求。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類(lèi)號(hào)：TN609；TN911.71；TM932

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.013

(收稿日期：2016-02-23)

作者簡(jiǎn)介：

黃世回(1982-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：電能質(zhì)量分析、數(shù)字信號(hào)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(jí)工程師，主要研究方向：智能檢測(cè)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