開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器的研究與設(shè)計(jì)

滕士雷

(無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214028）

【自然科學(xué)研究與應(yīng)用】

開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器的研究與設(shè)計(jì)

滕士雷

(無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214028）

電子商品防盜系統(tǒng)（EAS）是一種降低商品零售業(yè)在開(kāi)架售貨過(guò)程中商品失竊率的防盜產(chǎn)品。開(kāi)關(guān)電容濾波型頻率檢測(cè)器用于采用58kHz工作頻率的聲磁防盜系統(tǒng)。對(duì)于58kHz聲磁EAS系統(tǒng)而言，誤報(bào)率和漏報(bào)率是兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，要求系統(tǒng)對(duì)58kHz聲磁標(biāo)簽信號(hào)的幅度、頻率檢測(cè)要非常精確，有效信號(hào)帶寬為800Hz，目前常用的檢測(cè)電路和濾波電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。文章設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器帶寬小于600Hz，用于對(duì)標(biāo)簽信號(hào)的頻率進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，同時(shí)具有較強(qiáng)的通用性，通過(guò)對(duì)中心頻率參數(shù)的修改，可以比較方便快捷地應(yīng)用到其他高精度頻率檢測(cè)場(chǎng)合。

58kHz聲磁；EAS；開(kāi)關(guān)電容濾波型頻率檢測(cè)器；標(biāo)簽信號(hào)

EAS系統(tǒng)全稱為商品電子防盜系統(tǒng)，在現(xiàn)代商品零售業(yè)中起著非常重要的作用。國(guó)內(nèi)商品零售業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)貿(mào)易平臺(tái)的沖擊下面臨著很大的壓力，急需在創(chuàng)新銷售模式和降低運(yùn)營(yíng)成本上有所突破。為了進(jìn)一步節(jié)省人力資源，降低商品零售損耗，商品零售業(yè)對(duì)EAS系統(tǒng)的應(yīng)用需求越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)其性能需求也越來(lái)越高。實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)既要有效地保護(hù)商品又不能因?yàn)閷?duì)顧客錯(cuò)誤報(bào)警給商場(chǎng)安管人員造成非常大的麻煩，性能上必須具有極低的誤報(bào)率和漏報(bào)率。目前商品零售領(lǐng)域使用的主流防盜系統(tǒng)為58kHz聲磁（AM）系統(tǒng)，聲磁標(biāo)簽的共振頻率范圍為57.8kHz~58.2kHz，超出這個(gè)范圍則為無(wú)效標(biāo)簽。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)有效標(biāo)簽共振信號(hào)的二次諧波實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警,此信號(hào)的頻率為116kHz。為了實(shí)現(xiàn)極低的系統(tǒng)誤報(bào)率和漏報(bào)率，對(duì)116kHz信號(hào)頻率的檢測(cè)必須非常精確，中心頻率帶寬不能超過(guò)800Hz。否則，誤報(bào)率和漏報(bào)率就有可能升高，導(dǎo)致系統(tǒng)性能達(dá)不到要求。所以，設(shè)計(jì)一個(gè)符合系統(tǒng)特性的高精度頻率檢測(cè)電路尤為重要。

目前通常使用的有源帶通濾波電路品質(zhì)因數(shù)較低[1]，帶寬和幅頻特性均很難達(dá)到上述技術(shù)要求，即使是性能優(yōu)越的高階橢圓函數(shù)濾波器，其帶寬通常也只能達(dá)到幾kHz。當(dāng)然，理論上是可以達(dá)到800Hz以內(nèi)的，但是濾波器階數(shù)將非常高，電路復(fù)雜龐大，調(diào)試難度極大，并且通用性很差，對(duì)不同頻率信號(hào)的處理需要重新設(shè)計(jì)電路及參數(shù)，所以實(shí)際應(yīng)用在產(chǎn)品中是不可能的。歐美國(guó)家在EAS系統(tǒng)領(lǐng)域的研究比較早，有較好的設(shè)計(jì)方案，但是由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)、保密、價(jià)格等因素國(guó)內(nèi)制造商很難使用，所以當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分EAS系統(tǒng)應(yīng)用的檢測(cè)方案都很難達(dá)到這么高的精度，性能有所欠缺，價(jià)格只有進(jìn)口設(shè)備的三分之一[2]。本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器就是為了解決聲磁EAS系統(tǒng)標(biāo)簽信號(hào)高精度、高可靠檢測(cè)的問(wèn)題，以提升EAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能。其相當(dāng)于一個(gè)帶寬很窄、過(guò)渡帶邊沿十分陡峭的頻率檢測(cè)器，設(shè)計(jì)帶寬600Hz，相對(duì)帶寬不到1%。

一、設(shè)計(jì)思路與基本原理

開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器以給定的控制頻率對(duì)被測(cè)信號(hào)分時(shí)采樣，當(dāng)采樣頻率與輸入信號(hào)頻率完全吻合時(shí)，電路可采樣到的信號(hào)能量最大，兩頻率稍有偏差則采樣結(jié)果成周期性變化，經(jīng)過(guò)電路處理可輸出特征明顯的結(jié)果信號(hào)。檢測(cè)器結(jié)合了開(kāi)關(guān)電容濾波器和分時(shí)傳遞濾波原理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)[4]，包括分時(shí)控制電路、開(kāi)關(guān)電容積分電路、跟隨器三個(gè)部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且調(diào)試方便，在應(yīng)用于不同系統(tǒng)或頻率檢測(cè)場(chǎng)合時(shí)，調(diào)節(jié)檢測(cè)器的控制信號(hào)中心頻率就可檢測(cè)不同頻率的信號(hào)。

開(kāi)關(guān)電容濾波器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、可靠性高的離散時(shí)間濾波電路，可不需要AD轉(zhuǎn)換直接進(jìn)行模擬信號(hào)處理。這種濾波器的溫度變化穩(wěn)定性較好，當(dāng)電路結(jié)構(gòu)和控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率給定時(shí)，其電路特性取決于電容參數(shù)，調(diào)整好電路參數(shù)后，改變電容開(kāi)關(guān)頻率可直接改變?yōu)V波電路的中心頻率、增益、信號(hào)濾波特性。其電路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，u1、u2兩點(diǎn)之間接有高速模擬開(kāi)關(guān)控制分?jǐn)嗟碾娙萜?，電容C1在兩點(diǎn)之間交替接通，則電容C1在u1、u2兩點(diǎn)之間傳遞的平均電流I=fcC1(u1-u2)，相當(dāng)于在兩節(jié)點(diǎn)之間動(dòng)態(tài)連接一個(gè)電阻，其阻值為1/fcC1。

圖1 開(kāi)關(guān)電容濾波器電路結(jié)構(gòu)

圖2 開(kāi)關(guān)電容濾波器等效電路

如圖2所示，這種工作方式可等效為一個(gè)一階有源低通濾波器，其傳遞函數(shù)為：

由式（1）可知，影響濾波器頻率響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)取決于控制開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘周期和電容比值C2/C1，而與電容的絕對(duì)值無(wú)關(guān)，只要選用合適的開(kāi)關(guān)時(shí)鐘頻率和不太大的電容比值，對(duì)于低頻率應(yīng)用來(lái)說(shuō)，就可獲得合適的時(shí)間常數(shù)。如果將圖1中的機(jī)械開(kāi)關(guān)采用電子開(kāi)關(guān)代替，電路則變?yōu)閳D3所示的電子開(kāi)關(guān)電容積分器。設(shè)C1接通u1和u2的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)分別為φ1和φ2，其控制邏輯如圖3所示。

圖3 電子開(kāi)關(guān)電容積分器及開(kāi)關(guān)控制信號(hào)

當(dāng)控制信號(hào)為偶數(shù)脈沖時(shí)（e），C1接通u1，則C1對(duì)輸入信號(hào)的采樣點(diǎn)分布在… （n－1）TC，nTC，（n+1）TC…；奇數(shù)脈沖時(shí)（o），C1接通u2給C2充電并與剩余電荷疊加得到v2（t）。如果輸出信號(hào)v0(t)在偶數(shù)脈沖時(shí)刻，可得信號(hào)差分方程為：

圖4 開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器電路

如果輸出信號(hào)Vo(t)在奇數(shù)脈沖時(shí)刻，則C1在…(n-1/2)TC，nTC，(n+l/2)TC…對(duì)輸入信號(hào)的采樣，可得信號(hào)差分方程為：

式（2）、（3）中等號(hào)右邊第一項(xiàng)為上一次取樣時(shí)C2上的電荷值，第二項(xiàng)為C1轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的電荷，兩項(xiàng)代數(shù)和為C2上的總電荷量。由此可看出開(kāi)關(guān)電容濾波形式有偶入偶出及偶入奇出兩種，為了避免開(kāi)關(guān)電容積分器自身對(duì)頻率檢測(cè)器產(chǎn)生附加線性移相影響，本設(shè)計(jì)采用偶數(shù)脈沖輸入、奇數(shù)脈沖輸出的工作時(shí)序[6]。

二、開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器電路設(shè)計(jì)與分析

本設(shè)計(jì)基于開(kāi)關(guān)電容濾波器和信號(hào)分時(shí)傳遞濾波原理，由分時(shí)調(diào)制電路、開(kāi)關(guān)電容積分電路、信號(hào)跟隨器組成。電路設(shè)計(jì)采用雙路4選1FET多路復(fù)用器/多路解復(fù)用器FST3253、高性能低噪聲運(yùn)放MC33079為主要器件，其電路如圖4所示。

圖4中模擬開(kāi)關(guān)的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)器輸入信號(hào)的分時(shí)傳遞采樣，分時(shí)傳遞是指將一個(gè)周期的輸入信號(hào)通過(guò)n條信號(hào)通道在固定的1/n周期內(nèi)，有序逐次傳遞，最后再合成得到完整的輸入信號(hào)[8]。設(shè)電路被測(cè)信號(hào)為n條通道周期性分段導(dǎo)通，與分時(shí)傳遞周期不同的輸入信號(hào)在每個(gè)1/n通道的取樣為混疊信號(hào)，其傳遞函數(shù)趨于零。只有當(dāng)被測(cè)信號(hào)周期與分時(shí)傳遞周期相同時(shí)，被測(cè)信號(hào)在每個(gè)1/n通道的傳遞具有唯一性，各傳遞通道的合成信號(hào)才是完整的被測(cè)信號(hào)。

以58kHz聲磁標(biāo)簽共振信號(hào)的二次諧波（116kHz）為被測(cè)信號(hào)，電路工作時(shí)由外部控制器對(duì)檢測(cè)器發(fā)出控制信號(hào)，圖4中ARM-OE為電路使能信號(hào),低電平有效，ARM-S0、ARM-S1為開(kāi)關(guān)頻率控制信號(hào)，同時(shí)也是檢測(cè)頻率的控制信號(hào)，tagsignal為被測(cè)信號(hào)輸入端，DTAT01、DATA02為檢測(cè)結(jié)果信號(hào)輸出端。當(dāng)檢測(cè)器要檢測(cè)聲磁標(biāo)簽共振信號(hào)時(shí)，在ARM-S0、ARM-S1端輸入相位相差90度、占空比為50%的116kHz的方波信號(hào)，控制分時(shí)抽樣電路對(duì)輸入的聲磁標(biāo)簽共振信號(hào)采樣，實(shí)現(xiàn)電路的分時(shí)傳遞控制。

圖5 檢測(cè)器使能信號(hào)ARM-OE及開(kāi)關(guān)選通控制信號(hào)ARM-S0、ARM-S1的波形

如圖5所示，當(dāng)使能信號(hào)ARM-OE為低電平時(shí)，控制器發(fā)出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，根據(jù)模擬開(kāi)關(guān)的特性，ARM-S0、ARM-S1兩路控制信號(hào)在一個(gè)信號(hào)周期里產(chǎn)生00、01、10、11四種邏輯狀態(tài)，分別控制圖4中1A、2A與1B1-1B4、2B1-2B4（模擬開(kāi)關(guān)工作時(shí)序可參考芯片資料）在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)以相差90度相位的關(guān)系依次導(dǎo)通，這4路不同相位的信號(hào)與輸入信號(hào)依次比對(duì)。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為116kHz時(shí)，采樣到的信號(hào)能量最強(qiáng)，如果輸入信號(hào)頻率與電路模擬開(kāi)關(guān)的控制頻率不同則兩者不能對(duì)準(zhǔn)，采樣到的信號(hào)很弱或無(wú)法采樣到信號(hào)，檢測(cè)器輸出的是體現(xiàn)被測(cè)頻率特征的結(jié)果信號(hào)，此信號(hào)進(jìn)行一定的算法處理后可準(zhǔn)確判斷被測(cè)信號(hào)的頻率特征。

三、開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器的工作過(guò)程分析

信號(hào)的分時(shí)傳遞由S0、S1兩個(gè)方波信號(hào)控制，當(dāng)S0、S1為00、11通道時(shí)，被測(cè)信號(hào)傳遞給第一組積分電路（U204A），當(dāng)S0、S1為01、10通道時(shí)，被測(cè)信號(hào)傳遞給第二組積分電路（U204B）。每組積分電路分別接收半個(gè)周期的信號(hào)。

當(dāng)S0、S1為00時(shí)，開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器的等效電路如圖6所示。

圖6 第一通道等效電路

此時(shí)在采樣被測(cè)信號(hào)的第一個(gè)1/4周期，開(kāi)關(guān)電容積分電路的輸出波形如圖7所示。

圖7 被測(cè)信號(hào)第一通道的波形

當(dāng)S0、S1為01時(shí)，在被測(cè)信號(hào)的最后1/4周期，開(kāi)關(guān)電容積分電路的輸出波形如圖8所示。

圖8 被測(cè)信號(hào)最后一個(gè)通道的波形

以上兩種情況下第一組開(kāi)關(guān)電容積分電路（U204A）對(duì)輸入被測(cè)信號(hào)進(jìn)行積分，滿足（式4）：

當(dāng)S0、S1為10、11時(shí)，被測(cè)信號(hào)傳遞在第二組積分電路上，工作狀態(tài)與上述分析相同。在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率fo與檢測(cè)器控制頻率fc相同時(shí)，信號(hào)模型如圖9所示。

圖9 被測(cè)信號(hào)頻率與開(kāi)關(guān)頻率相同時(shí)的信號(hào)模型

圖10 頻率不相同時(shí)的信號(hào)模型

由圖10可知，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率fo與檢測(cè)器控制頻率fc不相同時(shí)有兩種情況：一種為被測(cè)信號(hào)頻率大于控制信號(hào)頻率，另一種為被測(cè)信號(hào)頻率小于控制信號(hào)頻率。這兩種情況均喪失了采樣信號(hào)單周期唯一性和多周期的重復(fù)性要求，采樣通道中的輸入信號(hào)無(wú)法滿足在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)固定的分時(shí)采樣，而是采樣了被測(cè)信號(hào)的多周期或半周期的混疊信號(hào)[9-10]。

由于檢測(cè)器被測(cè)信號(hào)分時(shí)傳遞后是經(jīng)過(guò)積分電路輸出的，針對(duì)任一條信號(hào)通道m(xù)，其輸出信號(hào)為：

各通道采樣的混疊信號(hào)周期積分值趨于零，信號(hào)疊加可得：

如果被測(cè)信號(hào)的周期為T(mén)，nT時(shí)間段后可得：根據(jù)以上分析可得出檢測(cè)器的檢測(cè)頻率帶寬是較理想的方波，其輸出特性如圖11所示。

圖11 檢測(cè)器理想的輸出特性曲線

四、開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器的應(yīng)用測(cè)試結(jié)果

實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)輸入信號(hào)為116kHz時(shí)，檢測(cè)器輸出的頻率特征信號(hào)如圖12所示。

當(dāng)輸入信號(hào)為116.5kHz和115.5kHz時(shí)，檢測(cè)器輸出的頻率特征信號(hào)如圖13、14所示。

圖13 116.5kHz時(shí)輸出波形

圖14 115.5kHz時(shí)輸出波形

當(dāng)輸入信號(hào)為117.5kHz和114.5kHz時(shí)，檢測(cè)器輸出的頻率特征信號(hào)如圖15、16所示。

圖15 117.5kHz時(shí)輸出波形

圖16 114.7kHz時(shí)輸出波形

由以上實(shí)測(cè)波形可以看出，檢測(cè)器對(duì)固定頻率的標(biāo)簽信號(hào)檢測(cè)帶寬達(dá)到600kHz以內(nèi)，具有優(yōu)秀的信號(hào)選頻特性。被測(cè)信號(hào)頻率與檢測(cè)器中心頻率稍有偏差，電路積分處理后的信號(hào)能量特征變化非常明顯，通過(guò)信號(hào)采集后的軟件處理可以可靠地分辨出被測(cè)信號(hào)的頻率特征。

五、結(jié)論

根據(jù)開(kāi)關(guān)電容濾波原理和信號(hào)分時(shí)傳遞原理設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電容濾波頻率檢測(cè)器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于調(diào)試，在實(shí)際應(yīng)用中只需要調(diào)整檢測(cè)器控制信號(hào)的頻率就可以對(duì)不同頻率的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。本設(shè)計(jì)一方面可用于精確檢測(cè)輸入信號(hào)的頻率點(diǎn)；另一方面當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率與檢測(cè)器控制頻率不同時(shí)輸出結(jié)果是一定頻率的波形，電路輸出的波形頻率與被測(cè)信號(hào)的頻率是成線性關(guān)系的，因此也可以用來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)試輸入信號(hào)的頻率。

[1]殷瑞杰.機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)在某型自動(dòng)駕駛儀中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[2]張志棟.全天候流域河道水情現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制[D].太原:太原理工大學(xué)，2009.

[3]陳偉.電子標(biāo)簽自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)研究[D].杭州:杭州電子科技大學(xué)，2009.

[4]許曉軍，高正平.應(yīng)用偽隨機(jī)碼的EAS系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2005（7）:42-43.

[5]劉彩鳳.EAS軟標(biāo)簽的制造工藝分析[J].包裝工程.2007（2）:67-68.

[6]趙雪英.原油含水率測(cè)試技術(shù)及裝置的研究 [D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2009.

[7]樊楓.電壓鉗控制的電流鉗電路設(shè)計(jì)[D].武漢:華中科技大學(xué)，2005.

[8]陳宗林.保偏光纖的偏振耦合檢測(cè)及偏振軸連接對(duì)準(zhǔn)的研究[D].泉州:華僑大學(xué)，2007.

[9]孫延奎.小波分析及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[10]馬云峰，馬海峰.集成模擬開(kāi)關(guān)的選用[J].電氣開(kāi)關(guān)，2000（5）:41-43.

Research and Design of Frequency Detector with Switched Capacitor Filter

TENG Shi-lei
(Wuxi Electromechanical Vocational College,Wuxi 214028,China)

Electronic article surveillance system （EAS） is method for preventing shoplifting from open-shelf retail stores which can increase sales profits.The frequency detector with switched capacitor filter is used in the acoustic magnetic anti-theft system with 58kHz operating frequency.As far as the 58kHz acoustic EAS system is concerned,false alarming and wrong alarming are two important technical indicators,therefore,the system requires that the amplitude and frequency detection of 58kHz acoustic magnetic tag signal be of high precision,and that the effective signal bandwidth 800Hz.However,the detection circuit and filter circuit are difficult to be realized.Less than 600Hz is the bandwidth of the frequency detector with switched capacitor filter designed in this paper,which can detect accurately the frequency of tag signal,and can be applied to various high-precision frequency detection occasions by modifying central frequency parameters.

58 kHz acoustomagnetic tag;EAS;frequency detector with switched capacitor filter;tag signal

TM 53

A

1671-4806（2017）06-0097-05

2017-09-04

滕士雷（1982—），男，江蘇連云港人，講師，高級(jí)技師，碩士，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開(kāi)發(fā)及自動(dòng)化生產(chǎn)線。

（編輯:丁幫俊 徐永生）