畢家啟 虢韜 楊恒

【摘 要】濾波技術(shù)在通信，醫(yī)療，工業(yè)控制等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。不論在電源設(shè)計還是通信領(lǐng)域，都離不開濾波技術(shù)的參與。濾波是將信號中特定波段頻率濾除，進(jìn)而提取有用信號的一種操作，通常將它作為一項抑制噪聲干擾的重要措施予以應(yīng)用。本文主要介紹了一種應(yīng)用于地網(wǎng)泄流通道測試裝置的模擬濾波系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)的原理實現(xiàn)過程，設(shè)計方法及注意事項。

【關(guān)鍵詞】泄流 濾波 原理

1 濾波技術(shù)簡介

濾波技術(shù)在通信，醫(yī)療，工業(yè)控制等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。不論在電源設(shè)計還是通信領(lǐng)域，都離不開濾波技術(shù)的參與。濾波是將信號中特定波段頻率濾除，進(jìn)而提取有用信號的一種操作，通常將它作為一項抑制噪聲干擾的重要措施予以應(yīng)用。

2 濾波技術(shù)對管線定位系統(tǒng)的意義

應(yīng)用本系統(tǒng)的地網(wǎng)泄流通道測試裝置是根據(jù)電磁法的原理來設(shè)計的，由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分構(gòu)成。接收機(jī)通過接收發(fā)射機(jī)發(fā)出的特定頻率電磁信號，繼而計算出地下管線的相對深度與位置。接收機(jī)的濾波系統(tǒng)是否穩(wěn)定可靠，直接決定最后的數(shù)據(jù)是否可靠。

3 濾波系統(tǒng)原理框圖

本系統(tǒng)使用模擬濾波的方式，采用MAX275有源濾波芯片配合外圍電阻，實現(xiàn)中心頻率可編程切換的帶通濾波系統(tǒng)。系統(tǒng)由信號預(yù)處理模塊，主濾波芯片，模擬開關(guān)芯片，信號輸出模塊，配置電阻構(gòu)成。整體濾波系統(tǒng)的實現(xiàn)原理框圖如圖1所示。

圖1 控制流程圖

信號預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行初步處理，主要包括信號采樣電路，低通濾波電路，信號放大電路，實現(xiàn)原始信號的采樣放大并去除信號中的毛刺噪聲。帶通濾波的功能由濾波芯片來實現(xiàn)，與模擬開關(guān)芯片配合，構(gòu)成多頻率的帶通濾波。信號輸出模塊用來保證信號的后級隔離，避免接口處的噪聲影響內(nèi)部濾波系統(tǒng)正常工作。

4 模擬濾波芯片

MAX275是美國MAXIM公司生產(chǎn)的通用型有源濾波器。采用20腳DIP或SO封裝。最大信號頻率可達(dá)300kHz，與傳統(tǒng)開關(guān)電容濾波器相比，具有更低的噪聲，更好的動態(tài)特性。 MAX275的濾波基本電路如圖2所示，通過內(nèi)部電容和外置電阻構(gòu)成級聯(lián)積分電路。只要根據(jù)公式確定少量外圍電阻的阻值，就能搭建出性能良好的二階巴特沃思帶通濾波電路。

圖2 MAX275內(nèi)部電路原理

外接電阻R1～R4的阻值通過以下步驟進(jìn)行設(shè)計：1.本系統(tǒng)實現(xiàn)帶通濾波功能，首先確定系統(tǒng)的中心頻率，中心頻率由R2進(jìn)行確定，相關(guān)公式為R2=（2 ×109/F0），電阻R4=R2-5kΩ；2.確定濾波系統(tǒng)Q值，Q值越大濾波效果越好，同時系統(tǒng)也越不穩(wěn)定，越容易自激振蕩。設(shè)計時應(yīng)作綜合考慮。Q值的有效范圍與中心頻率的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。系統(tǒng)的Q值由R3確定，R3=[Q（2×109）]/F0×（RX/RY），其中RX/RY的值由控制端FC的接法決定，F(xiàn)C接地則RX/RY=1/5，接正電源則RX/RY=4，接負(fù)電源RX/RY=1/25；3.確定帶通濾波器增益HOBP，相關(guān)公式為R1=R3/HOBP 。

要注意的是，所選用的電阻，阻值范圍應(yīng)保證在5kΩ到4MΩ之間，電阻太小，內(nèi)部運放驅(qū)動力不足，系統(tǒng)不穩(wěn)定。電阻太大，受電阻精度與寄生電容影響，會導(dǎo)致濾波特性出現(xiàn)較大偏差，對于大于4MΩ的電阻，可用T型網(wǎng)絡(luò)等效替換成小阻值電阻。

圖3 Q值與中心頻率關(guān)系圖

5 模擬開關(guān)芯片

模擬開關(guān)芯片，又稱模擬通道復(fù)用器，用以實現(xiàn)MAX275外置電阻的切換。本系統(tǒng)中選用HEF4051芯片，是一種通用型的八路模擬選通芯片，芯片引腳定義如圖4所示。查閱芯片手冊可知，采用±5V供電時，芯片導(dǎo)通電阻典型值為65Ω。實際測試時，導(dǎo)通電阻在69-75歐姆，參數(shù)基本一致?？紤]到本系統(tǒng)應(yīng)用于管線定位設(shè)備，其工作頻率一般在200Hz～30kHz，根據(jù)頻率計算后的配置電阻阻值都遠(yuǎn)大于70Ω，因此在一般的應(yīng)用場合（配置電阻大于7k），可以不考慮導(dǎo)通電阻對整體精度帶來的影響。

圖4 HEF4051引腳圖

A0、A1、A2為選通地址，決定Y0～Y7中哪個通道對Z點導(dǎo)通，將不同參數(shù)的電阻接到Y(jié)0～Y7，即可通過控制器的I/O端口控制選通地址，實現(xiàn)不同阻值電阻的切換。E腳為芯片使能端口，低電平有效，高電平時，Y0-Y7全部為高組態(tài)。

6 信號輸出模塊

信號輸出模塊，用來隔離信號的輸出端口，保證濾波系統(tǒng)的運行不受輸出端口的影響。本系統(tǒng)使用單路高速運放芯片LMH6642構(gòu)成簡單的電壓跟隨器電路，實現(xiàn)信號的有效隔離。

在實際設(shè)計過程中，也可依據(jù)實際要求對模塊進(jìn)行修改，實現(xiàn)諸如功率放大，信號放大，限幅輸出，峰值保持等功能。

7 結(jié)語

本系統(tǒng)使用MAX275實現(xiàn)帶通濾波，通過HEF4051芯片切換電阻，實現(xiàn)濾波系統(tǒng)中心頻率的切換。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，濾波效果良好，在設(shè)計過程中應(yīng)該注意Q值的合理選取及配置電阻的阻值范圍。同時設(shè)計者還可以根據(jù)實際系統(tǒng)要求，將多個此類濾波系統(tǒng)進(jìn)行級聯(lián)，構(gòu)成不同放大倍數(shù)與濾波階數(shù)的可編程濾波系統(tǒng)，以滿足不同項目在應(yīng)用中的具體要求。