基于MAX263的带通跟踪滤波设计

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  滤波在数据采集、处理和信号分析过程中起着十分重要的作用。通常采集到的信号会由于各种因素存在干扰,从而影响信号的准确性,对于精度要求较高的处理和操作,信号的准确性直接关系到处理和操作结果的正确与否,所以滤除干扰十分重要。

通用的滤波方法是用R、C、L构成无源滤波器或加运算放大器构成有源滤波器。对于频率不断变化的信号,通常通过模拟开关选择不同阻值以实现截止频率的改变,但这样分布参数较大,截止频率精度不高。MAX263可以不加外部元件就能实现低通、高通、带通、全通等滤波,功能强大。本文滤波器的设计是为了消除旋转物体(以下统称转子)不平衡量电信号中的干扰信号。选用基于MAX263开关电容跟踪滤波方法[1]进行带通滤波。

1 MAX263简介

1.1 MAX263性能简介

MAX263是由美国MAXIM(美信)公司生产的一种CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器,这种滤波器具有精确控制滤波的作用且操作较简单,只需通过引脚输入设置中心频率、Q值和工作模式。

1.2 MAX263 工作模式

MAX263 芯片有4 种工作模式, 根据不同滤波要求选择不同的工作模式, 其中模式1 和模式2 都可用来实现全极点低通或带通滤波, 例如切比雪夫、巴特沃斯滤波。模式2 相对于模式1 提高了Q 值并降低了输出噪声, 并且该模式下fclk/f0比值是模式1 中的1/姨2 倍;模式3 用于实现高通滤波; 模式4 用来构成全通滤波器,也能实现全极点低通和带通滤波, 不过增益与模式1 中的不同。


2 MAX263滤波器软件设计

2.1 滤波器软件程序

MAXIM公司提供一些软件程序,用于根据频率响应的设计要求快速完成对硬件的设计。这些软件程序分别为程序PZ、程序 MPP、程序BP和程序 FR。

2.2 设计滤波器的流程

MAX263软件设计流程分两步:

(1)滤波器的设计

根据所给出的要求,从设计程序PZ开始,选择最合适的滤波类型(巴特沃斯、切比雪夫等)和最佳的极点数,程序同样绘制出频率响应曲线,并计算出每个滤波单元的极点(零点)频率以及Q值大小。但当带通滤波采用多反馈技术时,滤波器设计程序“BP”代替程序PZ且不需要执行步骤2。

(2)生成编程系数

根据所获得的频率f0和品质因数Q,程序MPP生成fclk/f0和Q值的数字编程代码并显示f0和Q的“N”值大小(这里“N”值是二进制引脚编码的等效十进制数)。在这个步骤中,也需要对输入时钟频率和滤波器模式进行选择,当没有选择时钟频率时,“MPP”会自动选择一个[2]。


90.5 , 公式为Q=90.51/(128-N)。

4 针对转子不平衡量电信号的带通跟踪滤波设计

转子在绕其主轴旋转过程中, 设转速频率为f0, 由于存在不平衡量, 将会产生周期性振动。由传感器检测不平衡量引起的振动, 由于存在干扰, 传感器输出含有干扰, 因此, 需要滤除干扰。设计如图1 所示跟踪滤波, 转子旋转过程中产生的振动由位移传感器转换成电信号。为了实现对转速频率的跟踪, 用光电传感器对转子贴有吸光贴片的圆周上进行信号采集, 产生周期性脉冲信号。对这两种信号初步处理后, 采用基于MAX263 的锁相环跟踪原理对振动信号进行带通滤波。


4.1 MAX263 引脚设置

输入时钟频率选择fclk=100 f0, 根据fclk/f0比值查表1选择工作模式2,M1、M0 设定为01, 选择fclk/f0=99.97≈100 ,N=13 。f0大小约为35 Hz、带宽BW=4 Hz, 则选择Q=11.3 、N=120 。MAX263 是双二阶滤波, 串接可组成四阶滤波器, 其中二阶带通滤波的传递函数为:


4.2 锁相环跟踪原理

时钟频率fclk=100 f0,本设计采用由锁相环(CD4046)和时钟计数器(CD4518)组成的倍频电路进行倍频[3]。倍频方法为:光电传感器采集到的脉冲信号,经过整形后输入到锁相环输入端,锁相环输出端接至CD4518第一单元输入端。CD4518含有两个计数单元,分别计数时每个单元每输入10个脉冲,计数器恢复到初始状态;若将第一计数单元的第四级输出端连接到第二计数单元的输入端,则可进行串行计数,即CD4518第一单元输入端的频率为第二单元第四级输出频率的100倍。本文采用串行计数,将CD4518第二单元第四级的输出信号接入CD4046比较输入端,将该信号同锁相环先前输入的脉冲信号进行频率比较直至两者频率一致。从而实现CD4046的输出脉冲频率是输入频率的100倍,将其输入MAX 263时钟输入端(CLK),进而实现转子转速频率对滤波器中心频率的控制。

4.3 滤波器设计及其实验结果

根据MAX263设置方法及其锁相环跟踪原理,设计针对转子不平衡量电信号的带通跟踪滤波器,其原理方框图如图3所示。

以转子转速频率f0为34 Hz,不平衡量信号接入滤波电路进行处理为例,根据原图设计带通跟踪滤波电路[4],对采集到的转子不平衡量电信号用该电路处理并通过实验验证滤波效果。将未被处理的信号和经过滤波处理后的信号分别接入示波器观察,其结果如图4所示。

由图4可知,刚从传感器输出的不平衡量电压信号由于存在干扰,信号很不稳定,不能真实反映转子的不平衡量。经过MAX263带通跟踪滤波处理后,滤波效果十分明显。

 

应用MATLAB对信号进行频谱分析:对采集到的振动信号数据用快速傅里叶变换(FFT)法处理,完成数据流从时域到频域的变换[5]。分析结果如图5所示,信号滤波前含有各种频率段的干扰。滤波后只剩下频率为34 Hz左右的信号,该频率正是转子转速频率f0,实现了对转子不平衡量信号的跟踪滤波。

通过对MAX263工作原理的分析,结合锁相环跟踪原理给出了针对转子不平衡量信号的带通滤波方案,实验结果表明,MAX263滤波效果明显,设计简单。并且采用MAX263,就能够方便地设计出低通、带通、高通等各种滤波电路,而且可以广泛应用于各种滤波电路,具有很高的应用价值。

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