地網泄流通道測試裝置的濾波系統

畢家啟 虢韜 楊恒

【摘 要】濾波技術在通信，醫療，工業控制等領域有著非常廣泛的應用。不論在電源設計還是通信領域，都離不開濾波技術的參與。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用。本文主要介紹了一種應用于地網泄流通道測試裝置的模擬濾波系統，介紹該系統的原理實現過程，設計方法及注意事項。

【關鍵詞】泄流 濾波 原理

1 濾波技術簡介

濾波技術在通信，醫療，工業控制等領域有著非常廣泛的應用。不論在電源設計還是通信領域，都離不開濾波技術的參與。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用。

2 濾波技術對管線定位系統的意義

應用本系統的地網泄流通道測試裝置是根據電磁法的原理來設計的，由發射機和接收機兩部分構成。接收機通過接收發射機發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。接收機的濾波系統是否穩定可靠，直接決定最后的數據是否可靠。

3 濾波系統原理框圖

本系統使用模擬濾波的方式，采用MAX275有源濾波芯片配合外圍電阻，實現中心頻率可編程切換的帶通濾波系統。系統由信號預處理模塊，主濾波芯片，模擬開關芯片，信號輸出模塊，配置電阻構成。整體濾波系統的實現原理框圖如圖1所示。

圖1 控制流程圖

信號預處理模塊負責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，與模擬開關芯片配合，構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部濾波系統正常工作。

4 模擬濾波芯片

MAX275是美國MAXIM公司生產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，與傳統開關電容濾波器相比，具有更低的噪聲，更好的動態特性。 MAX275的濾波基本電路如圖2所示，通過內部電容和外置電阻構成級聯積分電路。只要根據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內部電路原理

外接電阻R1～R4的阻值通過以下步驟進行設計：1.本系統實現帶通濾波功能，首先確定系統的中心頻率，中心頻率由R2進行確定，相關公式為R2=（2 ×109/F0），電阻R4=R2-5kΩ；2.確定濾波系統Q值，Q值越大濾波效果越好，同時系統也越不穩定，越容易自激振蕩。設計時應作綜合考慮。Q值的有效范圍與中心頻率的對應關系如圖3所示。系統的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，FC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，相關公式為R1=R3/HOBP 。

要注意的是，所選用的電阻，阻值范圍應保證在5kΩ到4MΩ之間，電阻太小，內部運放驅動力不足，系統不穩定。電阻太大，受電阻精度與寄生電容影響，會導致濾波特性出現較大偏差，對于大于4MΩ的電阻，可用T型網絡等效替換成小阻值電阻。

圖3 Q值與中心頻率關系圖

5 模擬開關芯片

模擬開關芯片，又稱模擬通道復用器，用以實現MAX275外置電阻的切換。本系統中選用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，芯片導通電阻典型值為65Ω。實際測試時，導通電阻在69-75歐姆，參數基本一致。考慮到本系統應用于管線定位設備，其工作頻率一般在200Hz～30kHz，根據頻率計算后的配置電阻阻值都遠大于70Ω，因此在一般的應用場合（配置電阻大于7k），可以不考慮導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點導通，將不同參數的電阻接到Y0～Y7，即可通過控制器的I/O端口控制選通地址，實現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。

6 信號輸出模塊

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

在實際設計過程中，也可依據實際要求對模塊進行修改，實現諸如功率放大，信號放大，限幅輸出，峰值保持等功能。

7 結語

本系統使用MAX275實現帶通濾波，通過HEF4051芯片切換電阻，實現濾波系統中心頻率的切換。本系統結構簡單，濾波效果良好，在設計過程中應該注意Q值的合理選取及配置電阻的阻值范圍。同時設計者還可以根據實際系統要求，將多個此類濾波系統進行級聯，構成不同放大倍數與濾波階數的可編程濾波系統，以滿足不同項目在應用中的具體要求。