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1 引 言 管線探測儀是一種利用二次場原理進(jìn)行地下金屬管線探測的專用便攜式儀器，一般包括發(fā)射機和接收機。其工作原理是首先由發(fā)射機將一特定頻率的信號感應(yīng)或直連到地下金屬管線上，從而在金屬管線上感應(yīng)出電流。當(dāng)感應(yīng)電流在金屬管線上傳播時，會向外輻射出電磁波。這樣，通過接收機采用不同的方法檢測地下金屬管線上輻射出來的這一特定頻率信號的強度，便可確定其走向及深度。 由于在探測過程中需要切換多種頻率，所以接收機的帶通濾波器必須滿足多頻點要求。以往采用多級選頻電路串聯(lián)或通過切換RC網(wǎng)絡(luò)的方法來實現(xiàn)多頻點濾波。由于這些方法需要較多的元件，且參數(shù)調(diào)整較為困難，因此在探測儀中使用可程控的開關(guān)電容有源濾波器MAX262來實現(xiàn)多頻點帶通濾波。為了提高檢測的精確度，必須使系統(tǒng)中的濾波器通帶盡量窄，即在接近通帶的止帶能產(chǎn)生最佳的衰減，并希望濾波器的階數(shù)在滿足前提條件下盡可能小。而切比雪夫型濾波器就具有上述特點，能夠滿足系統(tǒng)要求。所以選擇了切比雪夫型濾波器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。 2 MAX262簡介 MAX262是MAXIM公司推出的通用型開關(guān)電容有源濾波器，通過單片機可以精確控制濾波器的傳輸函數(shù)。該芯片采用CMOS工藝制造，無需外部元件，即可構(gòu)成巴特沃思、切比雪夫、貝塞爾、橢圓函數(shù)等類型的帶通、低通、高通、帶阻和全通濾波器。其內(nèi)部包含有兩個二階濾波器組件，并含有一個獨立的運算放大器。其中心頻率范圍為140 kHz，輸入時鐘最大為4 MHz。通過對中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的獨立編程，可以實現(xiàn)64級中心頻率、128級品質(zhì)因數(shù)的智能控制。其工作原理如圖1所示。 MAX262的每個濾波器組件都有其各自的輸入時鐘CLK、獨立的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q。實際濾波器的中心頻率f0由濾波器的輸入時鐘頻率CLK、6 位中心頻率控制字(F0～F6)和工作方式(M0，M1)三者共同確定。每個組件的品質(zhì)因數(shù)Q(Q0～Q6)也由編程輸入進(jìn)行獨立的設(shè)置。以這種方式，MAX262的兩套組件可以分別調(diào)諧，因此可實現(xiàn)復(fù)雜的濾波器設(shè)計。但需要注意的是，在MAX262濾波器的內(nèi)部，其采樣速率是輸入時鐘(CLKA或 CLKB)的一半。 3 基于MAX262的多頻點切比雪型夫帶通濾波器的設(shè)計 3．1 設(shè)計原理 從實際情況綜合考慮，四階切比雪夫型帶通濾波器即可滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，所以將MAX262內(nèi)部的兩個二階的濾波器組件級聯(lián)組成四階切比雪夫型帶通濾波器。由文獻(xiàn)知，四階切比雪夫型帶通濾波器的傳輸函數(shù)為： 式中：B和C是文獻(xiàn)中附錄A給出的相應(yīng)低通系數(shù)。式(1)可以分解成以下兩個二階函數(shù)： 式中：K1，K2分別是兩個二階系統(tǒng)的級聯(lián)增益，并且K=K1 K 2。式中： 因此只要給出濾波器的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器系數(shù)，即可得到所需的濾波器輸出響應(yīng)。 3．2 在金屬管線探測儀中的實際應(yīng)用 在地下金屬管線探測中，小于1 kHz的信號有利于遠(yuǎn)距離追蹤和大直徑管線的探測，但容易受到外界干擾，且不易感應(yīng)到小口徑管線上。而大于80 kHz的信號容易感應(yīng)耦合到管線上，但探測距離小，不利于遠(yuǎn)距離追蹤。綜合考慮，在地下金屬管線探測儀中，用到了400 Hz，8 kHz，30 kHz，60 kHz，80 kHz，120 kHz等幾個頻率點，所以在金屬管線探測儀的接收機部分，其濾波器的中心頻率必須包含以上幾個頻率點。然后根據(jù)給出的帶通濾波器的通帶寬度、中心頻率和衰減限度，即可計算相應(yīng)的濾波器設(shè)計參數(shù)。 3．2．1 硬件設(shè)計 在探測儀的接收機中，通過單片機AT89C2051改變MAX262的控制字及工作方式來實現(xiàn)不同頻點的切換。在要求硬件電路盡量簡單的前提下，通過對晶振分頻來產(chǎn)生不同濾波器輸入時鐘。濾波器設(shè)計的硬件電路如圖2所示，整個系統(tǒng)時鐘由8 MHz的晶振XTAL提供。通過74F161分頻可以得到4 MHz，2 MHz，1 MHz的時鐘。在接收低頻信號時，通過AT89C2051來自定義合適的濾波器輸入時鐘。由P3．4和P3．5控制74F153來選擇濾波器輸入時鐘。 MAX262的4位地址線和2位數(shù)據(jù)線分別連接到AT89C2051的P1口的P1．0～P1．5。寫允許輸入端WR連接到P1．7。將MA．X262內(nèi)部的兩個二階濾波器組件進(jìn)行級聯(lián)，并使用MAX262自帶的獨立放大器將輸出端的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆Ｔ陔娫床糠郑门月冯娙輰-和V+連接到地(一般電解電容為4．7μF，陶瓷電容為O．1μF)。這些電容應(yīng)盡可能放置在靠近電源引腳的地方。 3．2．2 軟件設(shè)計 根據(jù)濾波器中用到的各個頻率點，給出相應(yīng)的濾波器截止頻率和衰減限度，再結(jié)合文獻(xiàn)計算出各個頻點相應(yīng)的濾波器編程系數(shù)。需要注意的是，有源濾波器的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q都是有限的，所以應(yīng)保證計算出來的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q都在可實現(xiàn)的范圍內(nèi)。 在設(shè)計濾波器時，需把MAX262內(nèi)部的兩個二階濾波器組件串聯(lián)起來，組成四階切比雪夫型帶通濾波器。在級聯(lián)過程中，為了使整個濾波器的輸出噪聲較低，把具有最高品質(zhì)因數(shù)Q的組件放在第一級。參考文獻(xiàn)及濾波器中心頻率f0來選擇濾波器的輸入時鐘CLK和品質(zhì)因數(shù)Q。最后，利用MAXIM公司提供的相應(yīng)濾波器設(shè)汁輔助軟件來對參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使設(shè)計結(jié)果達(dá)到最佳。調(diào)整后的第一級濾波器組件的各個頻點的設(shè)計參數(shù)和相應(yīng)的編程系數(shù)如表1所示。 MAX262芯片已把中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和方式選擇數(shù)據(jù)存儲在了內(nèi)部程序存儲器中。存儲器的內(nèi)容通過由寫入的A0～A4選中的地址來更新。數(shù)據(jù)在WR的上升沿被儲存到選中的單元中。編程時序如圖3所示。 在選擇濾波器的工作方式時，方式1具有最高的帶寬，而方式2的優(yōu)點是可獲得較高的Q和較低的輸出噪聲。因此，當(dāng)兩種方法一起使用時，利用一種時鐘頻率就可以選擇較寬的中心頻率F0覆蓋范圍。 3．3 實測結(jié)果 在實際測試中，在濾波器的中心頻率f0設(shè)定為8 kHz，通帶寬度為1 kHz時，分別加入9 kHz和50 kHz的干擾噪聲，得到濾波器的實測結(jié)果如圖4所示。 在測試中加入的信號與干擾噪聲幅度相同。從實測結(jié)果圖中可以看出，當(dāng)干擾噪聲的頻率在濾波器的通帶頻率范圍內(nèi)時，會對濾波結(jié)果產(chǎn)生干擾，如圖4(a)所示。當(dāng)干擾噪聲的頻率大于濾波器的通帶頻率范圍時，濾波器可以有效地濾除干擾噪聲，得到比較滿意的濾波輸出，如圖4(b)所示。 4 結(jié) 語 采用單片機AT89C2051控制可程控濾波器MAX262，能很好地實現(xiàn)多頻點的帶通濾波要求。這種程控濾波器具有使用靈活、調(diào)試容易及工作性能穩(wěn)定等特點。通過74F161對時鐘分頻和AT89C2051的自定義時鐘，可以實現(xiàn)對MAX262所有工作頻率范圍的覆蓋。嚴(yán)格來說，實際設(shè)置的濾波器參數(shù)與計算得到的濾波器參數(shù)之間存在些差異，但這些差異對于濾波器的濾波特性影響不大，實際測試時得到了良好的濾波效果。 |
