MAX262濾波器在地下金屬管線探測(cè)儀中的應(yīng)用

摘要：基于可程控的開(kāi)關(guān)電容有源濾波器MAX262，設(shè)計(jì)一種切比雪夫型多頻點(diǎn)帶通濾波器。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘分頻和自定義時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)對(duì)其在地下金屬管線探測(cè)儀中所有工作頻率的覆蓋，并結(jié)合其四階傳輸函數(shù)和編程輔助軟件，給出了各個(gè)頻點(diǎn)的濾波器編程參數(shù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該多頻點(diǎn)帶通濾波器能有效處理不同頻率的信號(hào)，且濾波效果令人滿意。
關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電容有源濾波器；MAX262；切比雪夫型帶通濾波器；多頻點(diǎn)；地下金屬管線探測(cè)

0 引 言
    管線探測(cè)儀是一種利用二次場(chǎng)原理進(jìn)行地下金屬管線探測(cè)的專(zhuān)用便攜式儀器，一般包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。其工作原理是首先由發(fā)射機(jī)將一特定頻率的信號(hào)感應(yīng)或直連到地下金屬管線上，從而在金屬管線上感應(yīng)出電流。當(dāng)感應(yīng)電流在金屬管線上傳播時(shí)，會(huì)向外輻射出電磁波。這樣，通過(guò)接收機(jī)采用不同的方法檢測(cè)地下金屬管線上輻射出來(lái)的這一特定頻率信號(hào)的強(qiáng)度，便可確定其走向及深度。
    由于在探測(cè)過(guò)程中需要切換多種頻率，所以接收機(jī)的帶通濾波器必須滿足多頻點(diǎn)要求。以往采用多級(jí)選頻電路串聯(lián)或通過(guò)切換RC網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)濾波。由于這些方法需要較多的元件，且參數(shù)調(diào)整較為困難，因此在探測(cè)儀中使用可程控的開(kāi)關(guān)電容有源濾波器MAX262來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)帶通濾波。為了提高檢測(cè)的精確度，必須使系統(tǒng)中的濾波器通帶盡量窄，即在接近通帶的止帶能產(chǎn)生最佳的衰減，并希望濾波器的階數(shù)在滿足前提條件下盡可能小。而切比雪夫型濾波器就具有上述特點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)要求。所以選擇了切比雪夫型濾波器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 MAX262簡(jiǎn)介
    MAX262是MAXIM公司推出的通用型開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，通過(guò)單片機(jī)可以精確控制濾波器的傳輸函數(shù)。該芯片采用CMOS工藝制造，無(wú)需外部元件，即可構(gòu)成巴特沃思、切比雪夫、貝塞爾、橢圓函數(shù)等類(lèi)型的帶通、低通、高通、帶阻和全通濾波器。其內(nèi)部包含有兩個(gè)二階濾波器組件，并含有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器。其中心頻率范圍為140 kHz，輸入時(shí)鐘最大為4 MHz。通過(guò)對(duì)中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的獨(dú)立編程，可以實(shí)現(xiàn)64級(jí)中心頻率、128級(jí)品質(zhì)因數(shù)的智能控制。其工作原理如圖1所示。

    MAX262的每個(gè)濾波器組件都有其各自的輸入時(shí)鐘CLK、獨(dú)立的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q。實(shí)際濾波器的中心頻率f0由濾波器的輸入時(shí)鐘頻率CLK、6位中心頻率控制字(F0～F6)和工作方式(M0，M1)三者共同確定。每個(gè)組件的品質(zhì)因數(shù)Q(Q0～Q6)也由編程輸入進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)置。以這種方式，MAX262的兩套組件可以分別調(diào)諧，因此可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的濾波器設(shè)計(jì)。但需要注意的是，在MAX262濾波器的內(nèi)部，其采樣速率是輸入時(shí)鐘(CLKA或CLKB)的一半。

2 基于MAX262的多頻點(diǎn)切比雪型夫帶通濾波器的設(shè)計(jì)
2．1 設(shè)計(jì)原理
    從實(shí)際情況綜合考慮，四階切比雪夫型帶通濾波器即可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，所以將MAX262內(nèi)部的兩個(gè)二階的濾波器組件級(jí)聯(lián)組成四階切比雪夫型帶通濾波器。由文獻(xiàn)[1]知，四階切比雪夫型帶通濾波器的傳輸函數(shù)為：
   

式中：B和C是文獻(xiàn)[1]中附錄A給出的相應(yīng)低通系數(shù)。式(1)可以分解成以下兩個(gè)二階函數(shù)：

   
式中：K1，K2分別是兩個(gè)二階系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)增益，并且K=K1 K 2。式中：

   
    因此只要給出濾波器的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器系數(shù)，即可得到所需的濾波器輸出響應(yīng)。
2．2 在金屬管線探測(cè)儀中的實(shí)際應(yīng)用
    在地下金屬管線探測(cè)中，小于1 kHz的信號(hào)有利于遠(yuǎn)距離追蹤和大直徑管線的探測(cè)，但容易受到外界干擾，且不易感應(yīng)到小口徑管線上。而大于80 kHz的信號(hào)容易感應(yīng)耦合到管線上，但探測(cè)距離小，不利于遠(yuǎn)距離追蹤。綜合考慮，在地下金屬管線探測(cè)儀中，用到了400 Hz，8 kHz，30 kHz，60 kHz，80 kHz，120 kHz等幾個(gè)頻率點(diǎn)，所以在金屬管線探測(cè)儀的接收機(jī)部分，其濾波器的中心頻率必須包含以上幾個(gè)頻率點(diǎn)。然后根據(jù)給出的帶通濾波器的通帶寬度、中心頻率和衰減限度，即可計(jì)算相應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)。
2．2．1 硬件設(shè)計(jì)
    在探測(cè)儀的接收機(jī)中，通過(guò)單片機(jī)AT89C2051改變MAX262的控制字及工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻點(diǎn)的切換。在要求硬件電路盡量簡(jiǎn)單的前提下，通過(guò)對(duì)晶振分頻來(lái)產(chǎn)生不同濾波器輸入時(shí)鐘。濾波器設(shè)計(jì)的硬件電路如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘由8 MHz的晶振XTAL提供。通過(guò)74F161分頻可以得到4 MHz，2 MHz，1 MHz的時(shí)鐘。在接收低頻信號(hào)時(shí)，通過(guò)AT89C2051來(lái)自定義合適的濾波器輸入時(shí)鐘。由P3．4和P3．5控制74F153來(lái)選擇濾波器輸入時(shí)鐘。MAX262的4位地址線和2位數(shù)據(jù)線分別連接到AT89C2051的P1口的P1．0～P1．5。寫(xiě)允許輸入端WR連接到P1．7。將MA．X262內(nèi)部的兩個(gè)二階濾波器組件進(jìn)行級(jí)聯(lián)，并使用MAX262自帶的獨(dú)立放大器將輸出端的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。在電源部分，用旁路電容將V-和V+連接到地(一般電解電容為4．7μF，陶瓷電容為O．1μF)。這些電容應(yīng)盡可能放置在靠近電源引腳的地方。

2．2．2 軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)濾波器中用到的各個(gè)頻率點(diǎn)，給出相應(yīng)的濾波器截止頻率和衰減限度，再結(jié)合文獻(xiàn)[2]計(jì)算出各個(gè)頻點(diǎn)相應(yīng)的濾波器編程系數(shù)。需要注意的是，有源濾波器的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q都是有限的，所以應(yīng)保證計(jì)算出來(lái)的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q都在可實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)。
    在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，需把MAX262內(nèi)部的兩個(gè)二階濾波器組件串聯(lián)起來(lái)，組成四階切比雪夫型帶通濾波器。在級(jí)聯(lián)過(guò)程中，為了使整個(gè)濾波器的輸出噪聲較低，把具有最高品質(zhì)因數(shù)Q的組件放在第一級(jí)。參考文獻(xiàn)[2]及濾波器中心頻率f0來(lái)選擇濾波器的輸入時(shí)鐘CLK和品質(zhì)因數(shù)Q。最后，利用MAXIM公司提供的相應(yīng)濾波器設(shè)汁輔助軟件來(lái)對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到最佳。調(diào)整后的第一級(jí)濾波器組件的各個(gè)頻點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)和相應(yīng)的編程系數(shù)如表1所示。

    MAX262芯片已把中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和方式選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在了內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器的內(nèi)容通過(guò)由寫(xiě)入的A0～A4選中的地址來(lái)更新。數(shù)據(jù)在WR的上升沿被儲(chǔ)存到選中的單元中。編程時(shí)序如圖3所示。

    在選擇濾波器的工作方式時(shí)，方式1具有最高的帶寬，而方式2的優(yōu)點(diǎn)是可獲得較高的Q和較低的輸出噪聲。因此，當(dāng)兩種方法一起使用時(shí)，利用一種時(shí)鐘頻率就可以選擇較寬的中心頻率F0覆蓋范圍。
2．3 實(shí)測(cè)結(jié)果
    在實(shí)際測(cè)試中，在濾波器的中心頻率f0設(shè)定為8 kHz，通帶寬度為1 kHz時(shí)，分別加入9 kHz和50 kHz的干擾噪聲，得到濾波器的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

    在測(cè)試中加入的信號(hào)與干擾噪聲幅度相同。從實(shí)測(cè)結(jié)果圖中可以看出，當(dāng)干擾噪聲的頻率在濾波器的通帶頻率范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)對(duì)濾波結(jié)果產(chǎn)生干擾，如圖4(a)所示。當(dāng)干擾噪聲的頻率大于濾波器的通帶頻率范圍時(shí)，濾波器可以有效地濾除干擾噪聲，得到比較滿意的濾波輸出，如圖4(b)所示。

3 結(jié) 語(yǔ)
    采用單片機(jī)AT89C2051控制可程控濾波器MAX262，能很好地實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)的帶通濾波要求。這種程控濾波器具有使用靈活、調(diào)試容易及工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。通過(guò)74F161對(duì)時(shí)鐘分頻和AT89C2051的自定義時(shí)鐘，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX262所有工作頻率范圍的覆蓋。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，實(shí)際設(shè)置的濾波器參數(shù)與計(jì)算得到的濾波器參數(shù)之間存在些差異，但這些差異對(duì)于濾波器的濾波特性影響不大，實(shí)際測(cè)試時(shí)得到了良好的濾波效果。