濾波在數(shù)據(jù)采集、處理和信號(hào)分析過程中起著十分重要的作用。通常采集到的信號(hào)會(huì)由于各種因素存在干擾，從而影響信號(hào)的準(zhǔn)確性，對(duì)于精度要求較高的處理和操作，信號(hào)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到處理和操作結(jié)果的正確與否，所以濾除干擾十分重要。

    通用的濾波方法是用R、C、L構(gòu)成無源濾波器或加運(yùn)算放大器構(gòu)成有源濾波器。對(duì)于頻率不斷變化的信號(hào)，通常通過模擬開關(guān)選擇不同阻值以實(shí)現(xiàn)截止頻率的改變，但這樣分布參數(shù)較大，截止頻率精度不高。MAX263可以不加外部元件就能實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、全通等濾波，功能強(qiáng)大。本文濾波器的設(shè)計(jì)是為了消除旋轉(zhuǎn)物體（以下統(tǒng)稱轉(zhuǎn)子）不平衡量電信號(hào)中的干擾信號(hào)。選用基于MAX263開關(guān)電容跟蹤濾波方法[1]進(jìn)行帶通濾波。
1 MAX263簡(jiǎn)介
1.1 MAX263性能簡(jiǎn)介
    MAX263是由美國MAXIM（美信）公司生產(chǎn)的一種CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，這種濾波器具有精確控制濾波的作用且操作較簡(jiǎn)單，只需通過引腳輸入設(shè)置中心頻率、Q值和工作模式。

2 MAX263濾波器軟件設(shè)計(jì)
2.1 濾波器軟件程序
    MAXIM公司提供一些軟件程序，用于根據(jù)頻率響應(yīng)的設(shè)計(jì)要求快速完成對(duì)硬件的設(shè)計(jì)。這些軟件程序分別為程序PZ、程序 MPP、程序BP和程序 FR。
2.2 設(shè)計(jì)濾波器的流程
    MAX263軟件設(shè)計(jì)流程分兩步：
    （1）濾波器的設(shè)計(jì)
    根據(jù)所給出的要求，從設(shè)計(jì)程序PZ開始，選擇最合適的濾波類型（巴特沃斯、切比雪夫等）和最佳的極點(diǎn)數(shù)，程序同樣繪制出頻率響應(yīng)曲線，并計(jì)算出每個(gè)濾波單元的極點(diǎn)（零點(diǎn)）頻率以及Q值大小。但當(dāng)帶通濾波采用多反饋技術(shù)時(shí)，濾波器設(shè)計(jì)程序“BP”代替程序PZ且不需要執(zhí)行步驟2。
    （2）生成編程系數(shù)
    根據(jù)所獲得的頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q，程序MPP生成fclk/f0和Q值的數(shù)字編程代碼并顯示f0和Q的“N”值大小(這里“N”值是二進(jìn)制引腳編碼的等效十進(jìn)制數(shù))。在這個(gè)步驟中，也需要對(duì)輸入時(shí)鐘頻率和濾波器模式進(jìn)行選擇，當(dāng)沒有選擇時(shí)鐘頻率時(shí)，“MPP”會(huì)自動(dòng)選擇一個(gè)[2]。

4.2 鎖相環(huán)跟蹤原理
    時(shí)鐘頻率fclk=100 f0，本設(shè)計(jì)采用由鎖相環(huán)(CD4046)和時(shí)鐘計(jì)數(shù)器(CD4518)組成的倍頻電路進(jìn)行倍頻[3]。倍頻方法為：光電傳感器采集到的脈沖信號(hào)，經(jīng)過整形后輸入到鎖相環(huán)輸入端，鎖相環(huán)輸出端接至CD4518第一單元輸入端。CD4518含有兩個(gè)計(jì)數(shù)單元，分別計(jì)數(shù)時(shí)每個(gè)單元每輸入10個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器恢復(fù)到初始狀態(tài)；若將第一計(jì)數(shù)單元的第四級(jí)輸出端連接到第二計(jì)數(shù)單元的輸入端，則可進(jìn)行串行計(jì)數(shù)，即CD4518第一單元輸入端的頻率為第二單元第四級(jí)輸出頻率的100倍。本文采用串行計(jì)數(shù)，將CD4518第二單元第四級(jí)的輸出信號(hào)接入CD4046比較輸入端，將該信號(hào)同鎖相環(huán)先前輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行頻率比較直至兩者頻率一致。從而實(shí)現(xiàn)CD4046的輸出脈沖頻率是輸入頻率的100倍，將其輸入MAX 263時(shí)鐘輸入端(CLK)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率對(duì)濾波器中心頻率的控制。
4.3 濾波器設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    根據(jù)MAX263設(shè)置方法及其鎖相環(huán)跟蹤原理，設(shè)計(jì)針對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡量電信號(hào)的帶通跟蹤濾波器，其原理方框圖如圖3所示。

    以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率f0為34 Hz，不平衡量信號(hào)接入濾波電路進(jìn)行處理為例，根據(jù)原圖設(shè)計(jì)帶通跟蹤濾波電路[4]，對(duì)采集到的轉(zhuǎn)子不平衡量電信號(hào)用該電路處理并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證濾波效果。將未被處理的信號(hào)和經(jīng)過濾波處理后的信號(hào)分別接入示波器觀察，其結(jié)果如圖4所示。
    由圖4可知，剛從傳感器輸出的不平衡量電壓信號(hào)由于存在干擾，信號(hào)很不穩(wěn)定，不能真實(shí)反映轉(zhuǎn)子的不平衡量。經(jīng)過MAX263帶通跟蹤濾波處理后，濾波效果十分明顯。

    應(yīng)用MATLAB對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析：對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)用快速傅里葉變換（FFT）法處理，完成數(shù)據(jù)流從時(shí)域到頻域的變換[5]。分析結(jié)果如圖5所示，信號(hào)濾波前含有各種頻率段的干擾。濾波后只剩下頻率為34 Hz左右的信號(hào)，該頻率正是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率f0，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡量信號(hào)的跟蹤濾波。
    通過對(duì)MAX263工作原理的分析，結(jié)合鎖相環(huán)跟蹤原理給出了針對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡量信號(hào)的帶通濾波方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MAX263濾波效果明顯，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。并且采用MAX263，就能夠方便地設(shè)計(jì)出低通、帶通、高通等各種濾波電路，而且可以廣泛應(yīng)用于各種濾波電路，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] BUSTAMANTE L G，SODERSTRANG M A.High-range  switched-capacitor tracking filter[C].Circuits and Systems  on Proceedings of the 1999 IEEE International Symposium.  ISCAS '99.1999：II-65-II-68.
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[3] 郝媚美，鄭應(yīng)文.一種實(shí)用的利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的倍頻電路[J].福建電腦，2001（9）：22-25.
[4] WILLIAMS A B.電子濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].喻春軒譯.北京：電子工業(yè)出版社，1986.
[5] 徐明遠(yuǎn)，劉增力.MATLAB仿真在信號(hào)處理中的應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1986.