MAX7491芯片及其在信號采集系統中的應用

陳紅釗，方前程

（湖南省煤炭科學研究院 湖南 長沙 410004）

濾波器是信號處理電路必不可少的一部分，傳統的濾波器大多由電阻、電容、電感等分立元器件，根據理論設計，按一定的方式排列組合而成，雖然也能達到目的，但是存在設計過程復雜、設計成本較高、需占用較大空間、功耗較大等不足。隨著科技的進步，一種集成的濾波電路——開關電容濾波器，開始在現在的電路設計中得到較多應用。開關電容濾波器是一種離散時間模擬濾波器，它主要由3個功能部件構成[1]：運算放大器、MOS開關和電容器，只需較少的外部電阻便可實現多種濾波功能。與由分立元件構成的濾波器相比，集成的濾波芯片具有占用體積小、功耗低、設計簡單、成本低等優點。這符合當代的電路設計理念，因而得到廣泛的應用[2-4]。在本文中，筆者選擇了開關電容濾波器MAX7491作為濾波器設計的核心器件，構建了帶通濾波器和帶阻濾波器，將其應用于實際電路，得到了令人滿意的效果。

1 MAX7491的結構、特點及工作原理

MAX7491是美信（MAXIM）公司設計的一款雙路通用開關電容濾波器[5]，它內部由兩個完全一樣的雙二階拓撲結構的開關電容濾波模塊組成，其內部結構如圖1。

圖1 MAX7491內部結構圖Fig.1 Block diagram of MAX7491

MAX7491采用16腳QSOP封裝。低功耗設計，只需+3 V單電源供電(也可以雙電源供電)。輸入和輸出均具備軌對軌特性，設計濾波器的中心頻率最高可達40 kHz。具有高精度特性，其中品質因素Q的誤差率為±0.2%，芯片工作時鐘轉化為濾波器中心頻率的誤差率為±0.2%。

MAX7491的使用很簡便，只要通過在芯片外部適當連接電阻就可實現不同的濾波功能，可以構成低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。此外，通過將多個濾波模塊級聯，還可以配置構成高階濾波器。所有經典的濾波器拓撲，如巴特沃斯(Butterworth)、貝塞爾(Bessel)、橢圓（elliptic）和切比雪夫（Chebyshev）等均可以由MAX7491來實現，甚至還可以實現一些用戶自定義的算法。

在設計濾波器時，濾波器的中心頻率是通過MAX7491工作時鐘來確定的。MAX7491有兩個時鐘源可供選擇：占空比為50%的外部時鐘和內部振蕩器時鐘。使用外部時鐘時，濾波器中心頻率fo（單位：kHz）與芯片的外部時鐘頻率fCLK（單位：）滿足關系式：

使用內部振蕩器時鐘時，需要在外部連接一個電容COSC（單位：pF），則振蕩器頻率 fOSC（單位：kHz）：

此時濾波器中心頻率由（3）式得出：

MAX7491有6種工作模式，見表1。

表1 MAX7491的6種濾波器工作模式Tab.1 the 6 filter operating modes

表中：LP是低通濾波；HP是高通濾波；BP是帶通濾波；N是帶阻濾波；Q是品質因素；fo是濾波器中心頻率，fCLK是MAX7491的工作頻率。

用戶可以根據實際需要來選用某種模式。下面僅以模式1為例，具體介紹其使用及配置。

圖2 模式1電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of Mode 1

模式1電路原理圖如圖2所示。電阻R1接在信號輸入端，在輸出端N與信號輸入端INVA之間接入反饋電阻R2，則構建了一個2階帶阻濾波器。在輸出端BP與輸入端INVA之間接入反饋電阻R3，則構建了一個2階帶通濾波器。直接連通輸出端LP與反饋輸入端S，則構建了一個2階低通濾波器。這三種濾波器可以同時工作。以上電阻R1、R2和R3一般約為幾十到幾百千歐姆，根據所需要的增益來選配。各個輸出（N、BP、LP）增益與R1成反比關系。此外，在低通濾波器輸出端LP與信號輸入端INVA之間連接電容CC可以降低增益誤差，CC的最大取值為15 pF。

如果將同一芯片中的兩個濾波器模塊進行級聯則可以配置實現2級帶阻濾波、低通濾波和帶通濾波以及高品質因素的帶通濾波器。如果多個芯片級聯還可以實現高階巴特沃斯低通濾波器、低Q值的帶阻濾波器等。模式1下濾波器的中心頻率為fo=fCLK/100。

2 應用舉例

在應用地下磁流體探測儀[6-8]進行地下水和地下裂隙的探測過程中，儀器主要通過探針接收天然電磁信號，該信號頻率范圍分布較廣，從頻率很低的基帶信號到數千赫茲的頻率信號，包含有強干擾信號，尤其是有很強的工頻干擾信號，這些信號數據量大，耦合形式復雜，對儀器進一步的信號處理影響很大，不易于分析處理。因此在對信號進行處理前，需要對探針接收的信號進行濾波處理。下面選用MAX7491來構建作為地下磁流體探測儀的前置處理濾波器。

地下磁流體探測儀前端信號處理原理框圖如圖3所示。探針采集到的電磁信號，經過帶通濾波和帶阻濾波后被送入到下一級信號處理電路。

圖3 前端信號處理原理框圖Fig.3 The front-end signal process block diagram

用MAX7491構建四階的帶通濾波器如圖4，四階帶阻濾波器如圖5。這兩個濾波器都選用了工作模式1，使用外部時鐘。對于帶通濾波器，時鐘fclk是根據儀器的測試頻段來確定的，是編程可控的。對于帶阻濾波器，其主要作用是濾除50 Hz及其倍頻的工頻干擾信號，因此可根據需要選擇fclk取為5 kHz或其他頻率。

圖4 4階帶通濾波器Fig.4 4th-order bandpass filter

圖5 4階帶阻濾波器Fig.5 4th-order notch filter

圖6 和圖7是用Labview對所測信號進行分段分析得到的頻譜，其中橫坐標是頻率（單位：Hz），縱坐標是電位幅值（單位：V），采用科學計數法。帶通濾波器的的中心頻率約為45 Hz，在圖5中可以看出，頻率低于15 Hz或高于75 Hz的信號通過帶通濾波器后其幅值有明顯的衰減，而對中心頻率附近的信號，濾波器具有較好的選通性，而隨著頻率遠離中心頻率，信號有逐漸衰減的趨勢。帶阻濾波器的中心頻率為50 Hz，從圖7中可以看到，在50 Hz附近的信號經過帶阻濾波后有了明顯的衰減，而其他頻率信號則能夠很好的通過。

圖6 帶通濾波器輸出信號頻譜Fig.6 Output signal spectrum of the bandpass filter

圖7 帶阻濾波器后的輸出信號頻譜Fig.7 Output siganl spectrum of the notch filter

3 結束語

MAX7491是一款應用方便的開關電容濾波器，只需要較少的外部元件就可實現較復雜的濾波功能，多種工作模式可以滿足不同的應用場合需求，并且易于控制，用戶只要按需提供合適的中心頻率即可達到濾波目的。通過將以MAX7491為核心器件設計的帶通和帶阻濾波器應用到地下磁流體探測儀的信號采集系統并測試，得到了良好的濾波效果，可見該芯片在功能上是比較優越的。

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