振動信號檢測可程控濾波器設計與應用

摘 要:由于振動臺掃頻信號頻率成分復雜，如何從復雜振動信號中提取時變的振動參數是振動臺性能檢測和控制需要解決的關鍵問題。在系統分析振動掃頻信號檢測要求的基礎上，基于可編程開關電容有源濾波器MAX262和單片機系統，設計了隨掃頻信號的變化自動改變中心頻率的可程控濾波器，并將其應用機械振動臺掃頻信號檢測中，實際應用證明了設計方法的有效性。

關鍵詞:可程控 自適應濾波器 MAX262 掃頻信號檢測

中圖分類號:TK288文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)07(b)-0023-01

電子設備的正弦振動試驗是為了考核電子設備整機的抗振特性，其試驗結果是對該設備的結構完好性以及對振動環境的適應性進行評價的依據。由于機械振動臺的激振器及其機械傳動系統存在多個固有頻率，振動掃頻過程需按照試驗要求不斷改變激振信號的頻率，使得振動掃頻信號頻率成分復雜，如何從復雜振動信號中提取時變的振動參數是振動臺性能檢測和控制需要解決的關鍵問題。采用固定參數的模擬帶通濾波器進行濾波不能滿足掃頻信號頻率變化時的跟蹤濾波要求，而采用軟件濾波進行補救又影響信號檢測的實時性。筆者基于可編程開關電容有源濾波器MAX262和單片機系統，設計了隨掃頻信號的變化自動改變中心頻率的可程控濾波器，并將其應用機械振動臺掃頻信號檢測中，實際應用證明了設計方法的有效性。

1 振動掃頻試驗原理

正弦振動試驗室試驗室經常采用的試驗方法。凡是旋轉、脈動、振蕩(船舶、飛機、車輛上所出現的)均是正弦振動。要模擬這些振動環境，無疑需用正弦振動試驗。正弦振動掃頻試驗的主要目的是通過模擬設備應用環境，測試分析產品的抗振特性。GB/T2324.10規定了針對電工電子產品進行正弦振動試驗所采用實驗設備的主要內容、試驗程序及試驗報告的內容。我們實驗用的一個機械式正弦振動試驗臺的掃頻信號的主要性能指標:振動波形:正弦波;頻率范圍:5-80Hz;加速度幅值:200m/s2。

根據檢測需要，可以確定濾波器性能要求:信號檢測頻率范圍可程控，一般為帶通F0-5F0HZ。濾波參數F0設置方式:通過RS232隨時接收上位機的F0值來改變濾波特性。

2 系統設計

2.1 系統方案

本系統以單片機作為控制器，使用集成開關電容濾波芯片MAX262來完成輸入信號的濾波工作。單片機通過串行口從上位PC接收目前掃頻信號的基本頻率參數F0，自動計算濾波器截止頻率，如:F0=5時，通頻范圍5-50HZ;F0=80HZ時，通頻范圍80-400HZ，再將濾波控制參數寫入MAX262，MAX262為核心的程控濾波器按照濾波要求進行信號處理，得到的輸出信號再通過PCI-9111采集卡采集存儲在上位PC機中，以便于進行振動信號分析，其系統框圖如(圖1)所示。

2.2 濾波器實現原理

MAX262內部包括兩個二階開關電容有源濾波器，它由微處理器精確控制濾波函數即可構成低通、高通、帶通等濾波器。本系統設計通過將MAX262內部的兩個二級濾波器A、B級聯，來實現帶通濾波。濾波器的硬件電路圖略。濾波器有中心頻率f0、品質因數Q和濾波器工作方式三個編程參數。在編程參數f0、Q值和工作模式確定以后，只要將相應的編程數據裝入MAX262芯片內部的寄存器，濾波器的類型和頻率特性也就確定了。由輸入時鐘與6位F0-F5編程代碼一起決定濾波器的中心頻率f0。濾波器的截止頻率的調節可通過改變MAX262的時鐘信號頻率fclk與MAX262的頻率控制字N來實現。設計中，結合MAX262的數據手冊，采用查表設計方法，根據MAX262存儲器地址單元將得到的濾波器的中心頻率f0和品質因數Q，寫入在內部程序存儲器中。

3 試驗應用分析

實際測試時，分兩種試驗方式進行數據采集和分析:分段定頻試驗和連續掃頻試驗。15Hz定頻和掃頻振動方式振動信號測量。

分段定頻是在振動臺工作頻率范圍5-80HZ中選取5HZ，10HZ，30HZ，60HZ，80HZ共5個點，分別啟動定頻振動控制，應用程控濾波器進行濾波處理，并把輸入和輸出信號分2個通道分別接入PC采集系統進行數據顯示和分析。經試驗分析可以發現，程序設置的濾波器參數與計算得到的濾波器參數之間存在一些差異，但這些誤差可以通過頻率校正因子的設置可以基本消除其對濾波特性影響，該濾波器可以有效地濾除噪聲信號，實際測試得到了比較滿意的濾波效果。

連續掃頻試驗則使振動臺處于掃頻振動控制方式，并進行數據采集和分析。掃頻振動利用定頻振動的校正因子進行濾波參數設置，但因為掃頻過程頻率變化頻繁，振動臺本身的頻率控制參數與臺體實際產生的振動信號實測頻率之間存在一定誤差，導致濾波效果受到一定的影響，但也有效濾除了大部分噪音干擾，基本達到設計要求。

4 結語

本文在分析振動掃頻試驗信號檢測需求的基礎上，基于MAX262與單片機實現了可程控帶通濾波器的設計，并將此濾波器應用到實際振動臺的振動信號測試中，并經過實際測試分析和系統參數校正，使該程控濾波器達到了設計要求。該濾波器具有結構簡單、外圍元件少、頻響范圍寬，使用靈活的優點，還可通過對不同參數的設置來實現全通，低通、高通、帶通等濾波器的設計，可擴展應用到沖擊信號、動態稱重信號檢測等系統中。

參考文獻

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