滕士雷

(無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214028）

【自然科學(xué)研究與應(yīng)用】

開關(guān)電容濾波頻率檢測器的研究與設(shè)計

滕士雷

(無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214028）

電子商品防盜系統(tǒng)（EAS）是一種降低商品零售業(yè)在開架售貨過程中商品失竊率的防盜產(chǎn)品。開關(guān)電容濾波型頻率檢測器用于采用58kHz工作頻率的聲磁防盜系統(tǒng)。對于58kHz聲磁EAS系統(tǒng)而言，誤報率和漏報率是兩個重要技術(shù)指標，要求系統(tǒng)對58kHz聲磁標簽信號的幅度、頻率檢測要非常精確，有效信號帶寬為800Hz，目前常用的檢測電路和濾波電路實現(xiàn)起來比較困難。文章設(shè)計的開關(guān)電容濾波頻率檢測器帶寬小于600Hz，用于對標簽信號的頻率進行精準檢測，同時具有較強的通用性，通過對中心頻率參數(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場合。

58kHz聲磁；EAS；開關(guān)電容濾波型頻率檢測器；標簽信號

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。國內(nèi)商品零售業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)貿(mào)易平臺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營成本上有所突破。為了進一步節(jié)省人力資源，降低商品零售損耗，商品零售業(yè)對EAS系統(tǒng)的應(yīng)用需求越來越大，同時對其性能需求也越來越高。實際應(yīng)用中，系統(tǒng)既要有效地保護商品又不能因為對顧客錯誤報警給商場安管人員造成非常大的麻煩，性能上必須具有極低的誤報率和漏報率。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)，聲磁標簽的共振頻率范圍為57.8kHz~58.2kHz，超出這個范圍則為無效標簽。系統(tǒng)通過檢測有效標簽共振信號的二次諧波實現(xiàn)系統(tǒng)報警,此信號的頻率為116kHz。為了實現(xiàn)極低的系統(tǒng)誤報率和漏報率，對116kHz信號頻率的檢測必須非常精確，中心頻率帶寬不能超過800Hz。否則，誤報率和漏報率就有可能升高，導(dǎo)致系統(tǒng)性能達不到要求。所以，設(shè)計一個符合系統(tǒng)特性的高精度頻率檢測電路尤為重要。

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到幾kHz。當然，理論上是可以達到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，對不同頻率信號的處理需要重新設(shè)計電路及參數(shù)，所以實際應(yīng)用在產(chǎn)品中是不可能的。歐美國家在EAS系統(tǒng)領(lǐng)域的研究比較早，有較好的設(shè)計方案，但是由于知識產(chǎn)權(quán)、保密、價格等因素國內(nèi)制造商很難使用，所以當前國內(nèi)大部分EAS系統(tǒng)應(yīng)用的檢測方案都很難達到這么高的精度，性能有所欠缺，價格只有進口設(shè)備的三分之一[2]。本文設(shè)計的開關(guān)電容濾波頻率檢測器就是為了解決聲磁EAS系統(tǒng)標簽信號高精度、高可靠檢測的問題，以提升EAS系統(tǒng)的設(shè)計性能。其相當于一個帶寬很窄、過渡帶邊沿十分陡峭的頻率檢測器，設(shè)計帶寬600Hz，相對帶寬不到1%。

一、設(shè)計思路與基本原理

開關(guān)電容濾波頻率檢測器以給定的控制頻率對被測信號分時采樣，當采樣頻率與輸入信號頻率完全吻合時，電路可采樣到的信號能量最大，兩頻率稍有偏差則采樣結(jié)果成周期性變化，經(jīng)過電路處理可輸出特征明顯的結(jié)果信號。檢測器結(jié)合了開關(guān)電容濾波器和分時傳遞濾波原理進行電路設(shè)計[4]，包括分時控制電路、開關(guān)電容積分電路、跟隨器三個部分，結(jié)構(gòu)簡單且調(diào)試方便，在應(yīng)用于不同系統(tǒng)或頻率檢測場合時，調(diào)節(jié)檢測器的控制信號中心頻率就可檢測不同頻率的信號。

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

圖1 開關(guān)電容濾波器電路結(jié)構(gòu)

圖2 開關(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)的時間常數(shù)取決于控制開關(guān)的時鐘周期和電容比值C2/C1，而與電容的絕對值無關(guān)，只要選用合適的開關(guān)時鐘頻率和不太大的電容比值，對于低頻率應(yīng)用來說，就可獲得合適的時間常數(shù)。如果將圖1中的機械開關(guān)采用電子開關(guān)代替，電路則變?yōu)閳D3所示的電子開關(guān)電容積分器。設(shè)C1接通u1和u2的開關(guān)控制信號分別為φ1和φ2，其控制邏輯如圖3所示。

圖3 電子開關(guān)電容積分器及開關(guān)控制信號

當控制信號為偶數(shù)脈沖時（e），C1接通u1，則C1對輸入信號的采樣點分布在… （n－1）TC，nTC，（n+1）TC…；奇數(shù)脈沖時（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v0(t)在偶數(shù)脈沖時刻，可得信號差分方程為：

圖4 開關(guān)電容濾波頻率檢測器電路

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

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

二、開關(guān)電容濾波頻率檢測器電路設(shè)計與分析

本設(shè)計基于開關(guān)電容濾波器和信號分時傳遞濾波原理，由分時調(diào)制電路、開關(guān)電容積分電路、信號跟隨器組成。電路設(shè)計采用雙路4選1FET多路復(fù)用器/多路解復(fù)用器FST3253、高性能低噪聲運放MC33079為主要器件，其電路如圖4所示。

圖4中模擬開關(guān)的主要作用是實現(xiàn)對檢測器輸入信號的分時傳遞采樣，分時傳遞是指將一個周期的輸入信號通過n條信號通道在固定的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[8]。設(shè)電路被測信號為n條通道周期性分段導(dǎo)通，與分時傳遞周期不同的輸入信號在每個1/n通道的取樣為混疊信號，其傳遞函數(shù)趨于零。只有當被測信號周期與分時傳遞周期相同時，被測信號在每個1/n通道的傳遞具有唯一性，各傳遞通道的合成信號才是完整的被測信號。

以58kHz聲磁標簽共振信號的二次諧波（116kHz）為被測信號，電路工作時由外部控制器對檢測器發(fā)出控制信號，圖4中ARM-OE為電路使能信號,低電平有效，ARM-S0、ARM-S1為開關(guān)頻率控制信號，同時也是檢測頻率的控制信號，tagsignal為被測信號輸入端，DTAT01、DATA02為檢測結(jié)果信號輸出端。當檢測器要檢測聲磁標簽共振信號時，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，控制分時抽樣電路對輸入的聲磁標簽共振信號采樣，實現(xiàn)電路的分時傳遞控制。

圖5 檢測器使能信號ARM-OE及開關(guān)選通控制信號ARM-S0、ARM-S1的波形

如圖5所示，當使能信號ARM-OE為低電平時，控制器發(fā)出開關(guān)控制信號，根據(jù)模擬開關(guān)的特性，ARM-S0、ARM-S1兩路控制信號在一個信號周期里產(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（模擬開關(guān)工作時序可參考芯片資料）在一個信號周期內(nèi)以相差90度相位的關(guān)系依次導(dǎo)通，這4路不同相位的信號與輸入信號依次比對。當輸入信號頻率為116kHz時，采樣到的信號能量最強，如果輸入信號頻率與電路模擬開關(guān)的控制頻率不同則兩者不能對準，采樣到的信號很弱或無法采樣到信號，檢測器輸出的是體現(xiàn)被測頻率特征的結(jié)果信號，此信號進行一定的算法處理后可準確判斷被測信號的頻率特征。

三、開關(guān)電容濾波頻率檢測器的工作過程分析

信號的分時傳遞由S0、S1兩個方波信號控制，當S0、S1為00、11通道時，被測信號傳遞給第一組積分電路（U204A），當S0、S1為01、10通道時，被測信號傳遞給第二組積分電路（U204B）。每組積分電路分別接收半個周期的信號。

當S0、S1為00時，開關(guān)電容濾波頻率檢測器的等效電路如圖6所示。

圖6 第一通道等效電路

此時在采樣被測信號的第一個1/4周期，開關(guān)電容積分電路的輸出波形如圖7所示。

圖7 被測信號第一通道的波形

當S0、S1為01時，在被測信號的最后1/4周期，開關(guān)電容積分電路的輸出波形如圖8所示。

圖8 被測信號最后一個通道的波形

以上兩種情況下第一組開關(guān)電容積分電路（U204A）對輸入被測信號進行積分，滿足（式4）：

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

圖9 被測信號頻率與開關(guān)頻率相同時的信號模型

圖10 頻率不相同時的信號模型

由圖10可知，當被測信號頻率fo與檢測器控制頻率fc不相同時有兩種情況：一種為被測信號頻率大于控制信號頻率，另一種為被測信號頻率小于控制信號頻率。這兩種情況均喪失了采樣信號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無法滿足在一個信號周期內(nèi)固定的分時采樣，而是采樣了被測信號的多周期或半周期的混疊信號[9-10]。

由于檢測器被測信號分時傳遞后是經(jīng)過積分電路輸出的，針對任一條信號通道m(xù)，其輸出信號為：

各通道采樣的混疊信號周期積分值趨于零，信號疊加可得：

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

圖11 檢測器理想的輸出特性曲線

四、開關(guān)電容濾波頻率檢測器的應(yīng)用測試結(jié)果

實際應(yīng)用中，當輸入信號為116kHz時，檢測器輸出的頻率特征信號如圖12所示。

當輸入信號為116.5kHz和115.5kHz時，檢測器輸出的頻率特征信號如圖13、14所示。

圖13 116.5kHz時輸出波形

圖14 115.5kHz時輸出波形

當輸入信號為117.5kHz和114.5kHz時，檢測器輸出的頻率特征信號如圖15、16所示。

圖15 117.5kHz時輸出波形

圖16 114.7kHz時輸出波形

由以上實測波形可以看出，檢測器對固定頻率的標簽信號檢測帶寬達到600kHz以內(nèi)，具有優(yōu)秀的信號選頻特性。被測信號頻率與檢測器中心頻率稍有偏差，電路積分處理后的信號能量特征變化非常明顯，通過信號采集后的軟件處理可以可靠地分辨出被測信號的頻率特征。

五、結(jié)論

根據(jù)開關(guān)電容濾波原理和信號分時傳遞原理設(shè)計的開關(guān)電容濾波頻率檢測器，電路結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)試，在實際應(yīng)用中只需要調(diào)整檢測器控制信號的頻率就可以對不同頻率的信號進行檢測識別。本設(shè)計一方面可用于精確檢測輸入信號的頻率點；另一方面當被測信號頻率與檢測器控制頻率不同時輸出結(jié)果是一定頻率的波形，電路輸出的波形頻率與被測信號的頻率是成線性關(guān)系的，因此也可以用來準確地測試輸入信號的頻率。

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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，高級技師，碩士，研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及自動化生產(chǎn)線。

（編輯:丁幫俊 徐永生）