蓄电池内阻测试仪前置可选频带通滤波器设计

黄世回，王汝钢

(深圳普禄科智能检测设备有限公司，广东 深圳 518067)



蓄电池内阻测试仪前置可选频带通滤波器设计

黄世回，王汝钢

(深圳普禄科智能检测设备有限公司，广东 深圳 518067)

摘要：针对多频点蓄电池内阻测试法双低频测试信号滤波问题，设计基于MAX267有源带通滤波器芯片的可选频4阶切比雪夫带通滤波器。通过改变基准输入时钟频率信号，实现带通滤波器通带中心频率的切换。详细介绍了这种前置变频带通滤波器级联方式、切比雪夫滤波器选型配置、可编程引脚Fn、Qn的配置方法、外围级联电路计算以及可变基准时钟信号的产生方法。外围电路十分精简，各中心频率通带幅频性能良好，满足工程需求。

关键词：MAX267；多频点测试；可编程滤波器；带通滤波器；切比雪夫滤波器；蓄电池内阻

引用格式：黄世回，王汝钢. 蓄电池内阻测试仪前置可选频带通滤波器设计[J].微型机与应用，2016,35(12)：39-41.

0引言

蓄电池Thevinen模型的蓄电池内阻是反映蓄电池状态的重要参数。目前多频点内阻测试法是辨识该模型先进有效的技术。参考文献[1]详细介绍这种方法的原理。Thevene模型中的极化电阻和极化电容对测试信号极为敏感，需要窄通带幅频好的滤波器。采用集成运放芯片LM324N设计带通滤波单元，只能满足单一中心频率带通滤波，对于不同频率点，需要重复设计两个以上滤波电路单元，且由于外围R-C元器件太多[2-4]，使得一致性很难把握，滤波器的中心增益变化，导致测出的阻值过于波动，进而恶化了仪器的空间布局。因此，选用有源滤波芯片MAX267，设计可选频带的带通滤波器，极大地缩小了电路空间布局，适合手持便携式的内阻测试仪的技术要求。

1有源滤波芯片MAX267简介

1.1MAX267芯片简介

图1　MAX267内部电路原框图

MAX267是美国Maxim公司推出的CMOS双二阶开关电容有源滤波器芯片，应用广泛。其内部电路结构如图1所示。芯片内部包含两个独立且性能相同的二阶滤波单元，可通过外围匹配的电阻电容构成级联反馈网络，设计4阶、6阶、8阶甚至更高阶的多级反馈带通滤波器，可实现切比雪夫、巴特沃斯、贝塞尔、椭圆等类型[5]。

滤波芯片的中心频率f0和品质因数Q可以通过相应功能引脚进行编码实现。芯片的外部输入时钟fCLK范围为40 Hz～4 MHz，由Fn系列引脚编码配置来决定输入时钟频率与中心频率的比值M，中心频率可以选择的范围为0.4 Hz～40 kHz。品质因数Q值由Qn系列引脚控制。对这些功能引脚的编码配置，可改变参考时钟频率输入，方便灵活地设计相应的中心频率和品质因数的带通滤波器。

1.2带通特性

带通的传递函数如下：

(1)

其中：HOBP是带通输出在ω=ω0处的增益。

中心频率f0：

(2)

品质因数Q：

(3)

下边带0.707 dB截止频率fL：

(4)

上边带0.707 dB截止频率fH：

(5)

MAX267只有模式1的工作状态，有最高的带宽选择，带通滤波器的中心频率的增益HOPB仅由Q决定。

2基于MAX267可选频带通滤波器设计

2.1Fn、Q值与滤波电路计算

设计实验从2.5 Hz、5 Hz 选择其一作为第一频，第二频率为10 Hz，通带最小带宽BW分别为5±0.5、10±0.8、15±1 Hz。选k=4阶切比雪夫型带通滤波器，通带波纹1 dB，通带的幅频特性要求平缓，有非常优质的噪声性能[6]，过渡带较窄。电路图如图2所示。

图2　级联4阶带通电路原理图

以下计算以中心频率2.5 Hz为例。

(1)总品质因数QF：

查MAX267芯片手册的Q取值表，取0.504最为接近，则Qn的编码Q0～Q6为：1000000。4阶切比雪夫滤波器补偿系数为K0=1.093 0，K2=1.503 9，KQ=1.821 9。

(2)二阶单元品质因数QR

QR=QF×KQ=0.5×1.821=0.909

(3)外围级联电阻

常规取RF=10 kΩ；滤波器增益HOBP=1。

(4)电容C6取值3 pF，2.5 pF～10 pF之间。

(5)

由于MAX267只工作在模式1情况下，参照芯片手册，取fCLK/f0=100.53，相应Fn脚的编码F0～F4为：00000。

2.2时钟fCLK

MAX267是利用M=(fCLK/f0)的比例倍数选择中心频率。时钟的精确度影响到中心频率的偏移程度。这里利用单片机的时钟计数器T0，通过相应配置，产生250、500、1 000 Hz的PWM时钟fCLK信号[7]，实现了可选中心频率的功能。图3为fCLK=250 Hz的PWM波时钟信号。

3实验验证与分析

用频率发生器给出基带信号，通道CH1检测滤波器输出信号，通道Cp检测输入基带信号。调节频率发生器输出的频率，验证滤波器的通带效果。图4、图5给出了中心频率点衰减3 dB上下截止频率点的波形图。Cp输入信号的VPP为5 V±0.15 V。

从图4的波形图可以看出，中心频率2.5 Hz滤波器输出信号峰峰值幅度有所衰减，从5 V衰减到3.52 V，左半边通带的波形有失真现象。图5中，5 Hz的滤波器中心频率点偏移微小，中心频率点的幅度几乎没有衰减。由于外围的元器件实际参数值与理论计算值有误差，实际生成时钟信号频率与理论计算值有微小偏差，综合造成了滤波器中心频率点极微小的偏移，但是仍然是属于通带范围内的。由于Q值固定，带宽随着中心频率点变化而改变。比较3 dB处的上下截止频率，2.5 Hz与5 Hz的波形，5 Hz明显优于2.5 Hz，所以内阻测试信号的第一频率选择5 Hz较为合适。表1给出了通带数据。

表1中，中心频率2.5 Hz的带通滤波器的带宽约为4.6 Hz。中心频率5 Hz的带通滤波器带宽约为10.2 Hz。中心频率10 Hz的带通滤波器的带宽约为15.5 Hz。切比雪夫滤波器的幅频特性，左半边带幅度衰减速度明显快于右半边带宽幅度衰减速度，工程应用中是满足条件的。

表1　各中心频率带通滤波器通带数据

图3　 fCLK=250 Hz时钟信号

图4　 f0=2.5 Hz通带波形

图5　 f0=5 Hz通带波形

4结论

基于MAX267开关电容滤波芯片，通过单片机计数器产生可变频率参考时钟fCLK，成功实现了可变中心频率的切比雪夫型4阶带通滤波器，在较窄带宽10 Hz、15 Hz通带内，中心频率点附近通带幅频特性平缓，满足了多频点蓄电池内阻测试第一、第二测试信号的滤波要求，电路精简，适合手持仪表对硬件空间紧凑的要求。

参考文献

[1] 杨忠亮，王汝钢，黄世回．一种新的基于模型的蓄电池检测技术[J]．蓄电池，2014,51(2)：93-96．

[2] 杨倬，张效民，杨俊飞．基于LMF100的有源带通滤波器的设计[J]．微处理机，2006, 27(1):77-78．

[3] 谢俊,余水宝,田聪，等.无源滤波器优化设计方法研究[J].微型机与应用,2015,34(3):95-98．

[4] 陈海亮,刘鑫,任勇峰，等.开关电容滤波器混叠效应仿真及抑制[J].电子技术应用,2014,40(7):37-39,43.

[5] 羿飒，田远富．MAX26_系列数字编码式滤波器的使用方法[J]．四川大学学报(工程科学版)，2000,32(3):58-60．

[6] 杨凯 ，王春华 ，戴普兴．一种3～5 GHz连续增益可调CMOS超宽带LNA的设计[J]．微电子学，2008, 38(2):275-279．

[7] 李一波， 高永霞． 系留飞艇地面监测系统艇载控制模块设计 [J]．电子技术应用，2010，36(11)：52-55．

中图分类号：TN609；TN911.71；TM932

文献标识码：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.013

(收稿日期：2016-02-23)

作者简介：

黄世回(1982-)，通信作者，男，硕士，工程师，主要研究方向：电能质量分析、数字信号处理、蓄电池能源管理算法等。E-mail：cjcj_55@163.com。

王汝钢(1964-)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：智能检测仪表。

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