基于CPLD的开关电容组式跟踪滤波器设计与实现
来源：微型机与应用2013年第2期
作者：彭永棒，孙奉娄，蓝加平，陈 锟
摘& 要： 针对大动态范围高灵敏度接收机射频前端信号处理需要，提出并实现了一种基于的开关电容组式器与变容二极管电调谐滤波器串联方案，并对该滤波器性能进行了评估。实验结果表明，该滤波器可以工作于1 MHz~30 MHz频段，带宽易调，设计简单，且具有稳定的带宽和很高的温度稳定性。实测的滤波器3 dB带宽为300 kHz~700 kHz，Q值为11.8 dB~25 dB，通带增益为2.5~4.5，能很好地满足接收机设计指标。
关键词： CPLD；；跟踪滤波；短波
　跟踪滤波器[1]指滤波器的中心频率能自动地跟随信号频率变化，从而达到在强噪声干扰中提取有用信号的带通滤波器。它主要应用于振动监测和控制、扫频或跳频雷达接收机、数字电视接收机、水声信号处理等领域[2-4]。
　目前，跟踪滤波器的设计主要有开关电容跟踪滤波器[5-6]、自适应跟踪滤波器[7]和变容二极管电调谐LC谐振跟踪滤波器[8]等。开关电容滤波器主要工作于音频范围内，从几赫兹到数百千赫兹。自适应跟踪滤波算法复杂，多用数字信号处理算法，不适合于模拟信号的跟踪滤波，且信号处理速度慢，不能满足实时性要求。变容二极管电调谐LC谐振跟踪滤波器工作频率高，速度快，电路由纯硬件搭建，主要缺点是受温度影响很大，中心频率可能出现漂移，因此不宜作窄带滤波，可用于对环境温度要求不高的宽带滤波。还有一些特殊用途的跟踪滤波器，如应用于数字电视等接收机的高频头或调谐器[9]等，这类跟踪滤波器面向专门的应用，不具备短波、窄带和通用的特性。
　现在应用于高频信号的窄带跟踪滤波器鲜有好的解决方案，特别是像快速跳频通信[10]对保密性的要求很高，要求跟踪滤波器能够快速准确地实现频率跟踪，这都不是上述几种滤波器能够实现的。目前适合短波频段的专用跟踪滤波器很少，针对这种情况，本文将设计并实现了工作于1 MHz~30 MHz频段的基于开关式电容组的跟踪滤波器。
1 滤波器设计方案
　考虑到开关电容组跟踪滤波器的特性和器件选择，本文采用开关式电容组滤波器与变容二极管电调谐串联组合的设计方案，系统框图如图1所示。
1.1 开关式电容组滤波器
　本开关式电容组滤波器原理[11]如图2所示。这种滤波器一般工作于低频范围，其温度稳定性好，中心频率和带宽便于调节，很适于跟踪滤波。图2中，单刀N掷开关周期性地接通N个RC积分器。每个电容被周期地接入，接入时间为1/（N&fc），其中N为电容个数，即开关的掷数，fc为开关频率。当输入信号频率和开关频率为整数倍关系时，每个周期接入各电容正好处于输入波形的同一位置，通过RC积分器对电容充电，于是电容被充电到对应输入电压值，从而在每个信号周期保持相同电压值，输出波形为近似于输入波形的阶梯波。这就相当于是对输入信号的N倍采样，输出的采样信号仍能保持原始信号波形，如果输入频率不等于开关频率或开关频率的倍频，则电容选入时处于输入信号波形的不定位置，电容上的电压不能保持充电到同样的电压值，此时，电容上的平均电压非常低，从而达到滤波效果。图2所示滤波器的幅频特性示意图如图3所示。其为一个以fc为基频的梳状滤波器，fc的倍频点同样能通过信号。
&&& 为了实现短波雷达接收机模拟前端的滤波，本文设计了一个可以工作于短波范围的带通滤波器，利用CPLD OD输出的高阻特性和CPLD的高速开关能力，用CPLD作为单刀N掷开关来控制电容组，周期性地接通N个RC积分器来实现高频滤波器的设计。
　该滤波器中电容和电阻的温度稳定性极强，因此其带通特性基本不受温度影响，且参数设计简单。
1.2 宽带谐振放大电路
　跟踪滤波器仅在某一个特定时刻通过对应中心频率的信号，而由图3可以看到开关电容组的梳状滤波特性，因此必须要滤除其余倍频信号，即抑制其谐波。为此，设计了一个基于变容二极管电调谐LC谐振跟踪滤波器的宽带谐振放大电路，将此电容组滤波器置于两个谐振放大电路之间，将谐振放大电路的带宽调节到合适位置，以滤除输入信号中的倍频信号成分。本谐振放大电路不仅具有抑制倍频信号的功能，还能对输入输出信号进行放大。由于电容组滤波器插入损耗较大，且受系统同步开关噪声（SSN）的影响，因此通过前级谐振放大电路对弱信号进行放大，可以提高系统的信噪比。该谐振放大电路的通频带也是可跟踪的，随中心频率同步调节。变容二极管的温度稳定性差，因此不宜设计成窄带跟踪滤波器，这里设计为一个宽带选频跟踪滤波器，用于滤除电容组滤波器的倍频干扰。
2 硬件电路设计
2.1电容组滤波器设计
　要实现30 MHz的中心频率滤波器，如果采用10个电容就必须满足至少300 MHz的开关频率要求。考虑到普通模拟开关的开关速度不高，本文采用CPLD，利用其引脚的三态特性，通过软件设置引脚为低电平（开通）和高阻（关断）状态来作为电容选择开关。由于CPLD漏极开路引脚存在钳位，因此输入信号的电压峰峰值应在0~3.3 V范围内，需给信号一个合适的静态工作点。本滤波器插入损耗较大，电容组滤波器输出阻抗受负载影响较大，因此增加一级跟随器作为阻抗匹配，提高其带负载能力。图4为电容组滤波器原理图。
本电路中的锁相环通过I2C总线配置工作参数，可直接通过CPLD进行配置，提供参考频率的N倍频信号作为开关时钟。
2.2 谐振放大电路设计
　通过设计谐振放大电路来滤除电容组滤波器中心频率的倍频干扰。通过调节变容二极管反向电压来调节谐振选频电路的中心频率和选频特性。将此选频网络带宽调节到中心频率二倍频以下的合适位置，以起到倍频抑制的作用。谐振放大的另一个作用是对输入信号进行放大以提高信噪比，以适合电容组滤波器的要求。谐振放大电路原理图如图5所示。
3 实验结果
3.1 滤波器带通参量分析
　通过扫频仪对本滤波器的带通特性及其参数进行了分析。图7分别给出了带宽BW与中心频率fc、电容个数N、电阻R、电容C的关系曲线。可以看出，滤波器通频带与中心频率成正比，而与电容个数N、电阻值R、电容值C成反比，即BW&fc/（N&R&C）。
　可以看出，电阻越小，滤波器增益增大得越快。但是通过时域分析可知，随着R的减小，信号波形失真也越来越大。因此要综合考虑带通滤波器的各方面性能来选择R值。
3.3 滤波器噪声分析
　由于CPLD高速开关引入了开关噪声，且噪声存在于带内，与所需的信号处在同一频点，无法去除。因此本滤波器只适于100 &V级以上的信号。图9为输入端接地时频谱仪观测到的系统开关噪声测量结果，其噪声信号大约在100 &V。
　品质因数Q=fp/BW3dB，Q值随频率增大而减小。从10 MHz~20 MHz，Q值由25减小到11.8。通带增益KP=Af，随着频率增高由4.5降低到2.5。
　由于BW&fc/（N&R&C），而Q=fp/BW3dB，因此有Q&1/N&R&C。可见，只要选取合适的参数，就能够得到满足需要的滤波器。由图10可以看到其输入输出波形的对比，通道1为输入信号，通道2为输出信号。
本文提出并实现了基于CPLD的开关电容组式跟踪滤波器与变容二极管电调谐滤波器串联方案的设计，通过分析实验数据，得出了带宽BW、幅值A和Q值分别与中心频率fc、电容个数N、电阻R、电容C等参数的关系：BW&fc/（N&R&C），A&（N&C）/R&fc，Q&1/N&R&C。实测的滤波器3 dB带宽为300 kHz~700 kHz，Q值为11.8 dB~25 dB，通带增益为2.5~4.5。测试结果表明本设计能很好满足接收机的设计指标。
　本滤波器的设计方法既可用于低频，也可用于高频。电路设计简单，性能稳定，不受环境温度等因素的影响，能应用于高频模拟前端，处理100 &V级以上信号。但是由于系统开关噪声的影响，对于微小信号滤波效果不是很好，有待于进一步针对开关噪声作深入研究。
[1] 陈照章.跟踪滤波器的设计及其应用[J].仪器仪表学报，2001（3）：244-246.
[2] 陶利民，肖定邦，温熙森.用于动平衡测试的MDAC窄带跟踪滤波器[J].国防科技大学学报，2006（2）：102-105.
[3] 陈新宁.跳频通信侦察技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2006.
[4] 吕元通.窄带跟踪滤波技术的应用研究及硬件电路实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.
[5] 庞长涛，张建明，高燕红，等.滚动接触疲劳实验机跟踪滤波器设计[J].航空精密制造技术，2011（1）：1-4.
[6] 殷苏民，吉彬斌，鲍红力，等.基于MAX263的带通跟踪滤波设计[J].电子技术应用，）：54-56.
[7] 郭华.自适应滤波算法及应用研究[D].兰州：西北师范大学，2007.
[8] GUYETTE A C. Alternative architectures for narrowband varactor-tuned bandpass filters[C]. Microwave Integrated Circuits Conference， EuMIC 2009， 8.
[9] SUN Y， JEONG C， LEE I， et al. A 50-300-MHz low power and high linear active RF tracking filter for digital TV tuner ICs[C]. IEEE Custom Integrated Circuits Conference， .
[10] 孙剑川，凌涛.短波战术跳频通信系统的技术现状和发展[J].通信与广播电视，2002（3）：1-6.
[11] 吕广平.集成电路应用500例[M].北京：人民邮电出版社，1983.
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超级电容器的比电容最大能做到多大？
目前超级电容器是电化学储能的一个热点，大量的文献在报道这方面的研究，非常多的超电容的文献的题目都在说自己的材料具有High Performance Supercapacitors，就金属氧化物而言，很多文献报道比电容几百F/g（在1A/g下）就能成为High Performance，比如Co3O4，几百到一千甚至二千都可以称之为High Performance。如果一个材料的比电容可以测到四千、五千、六千甚至七千乃至八千F/g，那这种材料的超电容性能该如何称呼呢？称之为Super-High Performance？
咨询做超级电容器的朋友就三大超级电容器电极材料（金属氧化物、碳材料和聚合物）而言，最大的比电容是这个材料的理论值吗？还是有更大的数值呢？
呵呵&&非常感谢您的回复
非常感谢您的回复，全面而且简单，
呵呵&&感谢您的回复！我们的摸索中发现三电极系统测试得到的结果不是偏大而是偏小，原因是活性物质在测试的过程中不可避免会有部分掉下来，使得活性物质的质量减少，而按照原来的质量来计算的话，比电容（CV和CP）都要比实际值偏低；至于您说的两电极系统，我们隐约觉得三电极系统都测不好（比电容不大），二电极系统更好不到哪里去，
呵呵&&非常感谢您的回复，看了受益匪浅！有两个问题想咨询一下您：（1）对于您所说的第二点high rate capability，如果一个材料的比电容1A/g可以测到1万多，2-100A/g的比电容递减来说肯定也很大，那么这种材料能否称为high rate capability呢？
（2）对于活性物质少的状况，总览所有的超电容文献，比电容做的最高的一般都是直接电沉积、水热或者CVD沉积在泡沫镍片（或其它金属片）上的效果最好，并且沉上去的活性物质的质量一般在0-1mg之间，这时活性物质的质量小，但电化学性能特别好，这种有没有应用价值？
（3）最近也有文献在报道有的材料三电极测试的电化学比电容较大，同时两电极测试的比电容也不错，基础或者应用研究距离应用确实还很远。
刚接触超电容，非常感谢您的回复！
举一个例子：
1. 1 A/时300 F/g, 100 A/g时200F/g.
2. 1 A/时500 F/g, 100 A/g时250F/g.
哪个的high rate capability比较好？
我觉得是1.
因为rate capability是比较在高电流密度（100 A/g）时能够保留低电流密度(1 A/g） 时候的电容。即使1的电容值比2低，但在高电流密度时，它能维持的电容（66%）比2（50%）高。
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滤波电容的大小选取原则
& & & &是并联在整流电源电路输出端，用以降低交流脉动波纹系数、平滑直流输出的一种储能器件。在使用将交流转换为直流供电的电子电路中，滤波电容不仅使电源直流输出平稳，降低了交变脉动波纹对电子电路的影响，同时还可吸收电子电路工作过程中产生的电流波动和经由交流电源串入的干扰，使得电子电路的工作性能更加稳定。
& & & &滤波电容在电路中的符号一般用&C&表示。在50赫兹市电的整流电路中，为了获得好的滤波效果，选择的滤波电容的电容量都比较大，最常用的为数百至数千微法的电解电容，要求高的场合也有使用钽电容或铌电容的；但在几十千赫兹甚至更高频率的场合，对频率特性的要求比对容量的要求显得重要得多。
& & & &滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。而且对于精密电路而言，往往这个时候会采用并联电容电路的组合方式来提高滤波电容的工作效果。
& & & &低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50Hz；而高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。滤波电容在开关电源中起著非常重要的作用，如何正确选择滤波电容，尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人员十分关心的问题。
& & & &50赫兹工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100赫兹，充放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万微法，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至是数十兆赫兹。这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是&阻抗- 频率&特性。要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。
& & & &普通的低频电解电容器在万赫兹左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。
& & & &滤波电容的选取原则：
& & & &在电源设计中,滤波电容的选取原则是：
& & & &C&2.5T/R
& & & &其中：C为滤波电容，单位为F；
& & & &T为周期，单位为S，T=1/f
& & & &f为交流电源频率，单位为Hz
& & & &R为负载电阻，单位为&O
& & & &当然，这只是一般的选用原则，在实际的应用中，如条件(空间和成本)允许，都选取C&5T/R。
& & & &由于四端电容具有良好的高频特性，为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利的手段。高频铝电解电容器还有多芯的形式，即将铝箔分成较短的若干段，用多引出片并联连接以减小容抗中的阻抗成份。并且采用低电阻率的材料作为引出端子，提高了电容器承受大电流的能力。
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