畢家啟 虢韜 楊恒

(貴州電網(wǎng)公司輸電運行檢修分公司,貴州六盤水 553400)

地網(wǎng)泄流通道測試裝置的濾波系統(tǒng)

畢家啟 虢韜 楊恒

(貴州電網(wǎng)公司輸電運行檢修分公司,貴州六盤水 553400)

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。

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)射機和接收機兩部分構(gòu)成。接收機通過接收發(fā)射機發(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2 MAX275內(nèi)部電路原理

圖3 Q值與中心頻率關(guān)系圖

信號預(yù)處理模塊負責(zé)對信號進行初步處理，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。

外接電阻R1～R4的阻值通過以下步驟進行設(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4M Ω的電阻，可用T型網(wǎng)絡(luò)等效替換成小阻值電阻。

圖4 HEF4051引腳圖

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。

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。

Filtering technology in communication, medical, industrial control and other fields has a very wide range of applications. No matter in the design of power supply or communication field, all cannot do without the participation of the filtering technology. Filtering is a specific band signal frequencyfiltering, and extracting a useful signal operation, usually take it as an important measure to suppress the noise interference to application. This paper mainly introduces the analog filter system for griddischarge channel test device, this paper introduces the principle of the system implementation process, the design method and the matters needing attention.

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