地網泄流通道測試裝置的濾波系統

畢家啟 虢韜 楊恒

(貴州電網公司輸電運行檢修分公司,貴州六盤水 553400)

地網泄流通道測試裝置的濾波系統

畢家啟 虢韜 楊恒

(貴州電網公司輸電運行檢修分公司,貴州六盤水 553400)

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。

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2 MAX275內部電路原理

圖3 Q值與中心頻率關系圖

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。

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4M Ω的電阻，可用T型網絡等效替換成小阻值電阻。

圖4 HEF4051引腳圖

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。

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。

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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