MAX7491芯片及其在信號(hào)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳紅釗，方前程

（湖南省煤炭科學(xué)研究院 湖南 長(zhǎng)沙 410004）

濾波器是信號(hào)處理電路必不可少的一部分，傳統(tǒng)的濾波器大多由電阻、電容、電感等分立元器件，根據(jù)理論設(shè)計(jì)，按一定的方式排列組合而成，雖然也能達(dá)到目的，但是存在設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、設(shè)計(jì)成本較高、需占用較大空間、功耗較大等不足。隨著科技的進(jìn)步，一種集成的濾波電路——開關(guān)電容濾波器，開始在現(xiàn)在的電路設(shè)計(jì)中得到較多應(yīng)用。開關(guān)電容濾波器是一種離散時(shí)間模擬濾波器，它主要由3個(gè)功能部件構(gòu)成[1]：運(yùn)算放大器、MOS開關(guān)和電容器，只需較少的外部電阻便可實(shí)現(xiàn)多種濾波功能。與由分立元件構(gòu)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。這符合當(dāng)代的電路設(shè)計(jì)理念，因而得到廣泛的應(yīng)用[2-4]。在本文中，筆者選擇了開關(guān)電容濾波器MAX7491作為濾波器設(shè)計(jì)的核心器件，構(gòu)建了帶通濾波器和帶阻濾波器，將其應(yīng)用于實(shí)際電路，得到了令人滿意的效果。

1 MAX7491的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及工作原理

MAX7491是美信（MAXIM）公司設(shè)計(jì)的一款雙路通用開關(guān)電容濾波器[5]，它內(nèi)部由兩個(gè)完全一樣的雙二階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電容濾波模塊組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 MAX7491內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of MAX7491

MAX7491采用16腳QSOP封裝。低功耗設(shè)計(jì)，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(duì)軌特性，設(shè)計(jì)濾波器的中心頻率最高可達(dá)40 kHz。具有高精度特性，其中品質(zhì)因素Q的誤差率為±0.2%，芯片工作時(shí)鐘轉(zhuǎn)化為濾波器中心頻率的誤差率為±0.2%。

MAX7491的使用很簡(jiǎn)便，只要通過在芯片外部適當(dāng)連接電阻就可實(shí)現(xiàn)不同的濾波功能，可以構(gòu)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(gè)濾波模塊級(jí)聯(lián)，還可以配置構(gòu)成高階濾波器。所有經(jīng)典的濾波器拓?fù)?，如巴特沃?Butterworth)、貝塞爾(Bessel)、橢圓（elliptic）和切比雪夫（Chebyshev）等均可以由MAX7491來實(shí)現(xiàn)，甚至還可以實(shí)現(xiàn)一些用戶自定義的算法。

在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，濾波器的中心頻率是通過MAX7491工作時(shí)鐘來確定的。MAX7491有兩個(gè)時(shí)鐘源可供選擇：占空比為50%的外部時(shí)鐘和內(nèi)部振蕩器時(shí)鐘。使用外部時(shí)鐘時(shí)，濾波器中心頻率fo（單位：kHz）與芯片的外部時(shí)鐘頻率fCLK（單位：）滿足關(guān)系式：

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

此時(shí)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(zhì)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(jù)實(shí)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(hào)輸入端，在輸出端N與信號(hào)輸入端INVA之間接入反饋電阻R2，則構(gòu)建了一個(gè)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(gòu)建了一個(gè)2階帶通濾波器。直接連通輸出端LP與反饋輸入端S，則構(gòu)建了一個(gè)2階低通濾波器。這三種濾波器可以同時(shí)工作。以上電阻R1、R2和R3一般約為幾十到幾百千歐姆，根據(jù)所需要的增益來選配。各個(gè)輸出（N、BP、LP）增益與R1成反比關(guān)系。此外，在低通濾波器輸出端LP與信號(hào)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(gè)濾波器模塊進(jìn)行級(jí)聯(lián)則可以配置實(shí)現(xiàn)2級(jí)帶阻濾波、低通濾波和帶通濾波以及高品質(zhì)因素的帶通濾波器。如果多個(gè)芯片級(jí)聯(lián)還可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)用舉例

在應(yīng)用地下磁流體探測(cè)儀[6-8]進(jìn)行地下水和地下裂隙的探測(cè)過程中，儀器主要通過探針接收天然電磁信號(hào)，該信號(hào)頻率范圍分布較廣，從頻率很低的基帶信號(hào)到數(shù)千赫茲的頻率信號(hào)，包含有強(qiáng)干擾信號(hào)，尤其是有很強(qiáng)的工頻干擾信號(hào)，這些信號(hào)數(shù)據(jù)量大，耦合形式復(fù)雜，對(duì)儀器進(jìn)一步的信號(hào)處理影響很大，不易于分析處理。因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理前，需要對(duì)探針接收的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。下面選用MAX7491來構(gòu)建作為地下磁流體探測(cè)儀的前置處理濾波器。

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

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

用MAX7491構(gòu)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(gè)濾波器都選用了工作模式1，使用外部時(shí)鐘。對(duì)于帶通濾波器，時(shí)鐘fclk是根據(jù)儀器的測(cè)試頻段來確定的，是編程可控的。對(duì)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(hào)，因此可根據(jù)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(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行分段分析得到的頻譜，其中橫坐標(biāo)是頻率（單位：Hz），縱坐標(biāo)是電位幅值（單位：V），采用科學(xué)計(jì)數(shù)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(hào)通過帶通濾波器后其幅值有明顯的衰減，而對(duì)中心頻率附近的信號(hào)，濾波器具有較好的選通性，而隨著頻率遠(yuǎn)離中心頻率，信號(hào)有逐漸衰減的趨勢(shì)。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(hào)經(jīng)過帶阻濾波后有了明顯的衰減，而其他頻率信號(hào)則能夠很好的通過。

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

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

3 結(jié)束語

MAX7491是一款應(yīng)用方便的開關(guān)電容濾波器，只需要較少的外部元件就可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的濾波功能，多種工作模式可以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)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(dá)到濾波目的。通過將以MAX7491為核心器件設(shè)計(jì)的帶通和帶阻濾波器應(yīng)用到地下磁流體探測(cè)儀的信號(hào)采集系統(tǒng)并測(cè)試，得到了良好的濾波效果，可見該芯片在功能上是比較優(yōu)越的。

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