MAX7491芯片及其在信号采集系统中的应用

陈红钊，方前程

（湖南省煤炭科学研究院 湖南 长沙 410004）

滤波器是信号处理电路必不可少的一部分，传统的滤波器大多由电阻、电容、电感等分立元器件，根据理论设计，按一定的方式排列组合而成，虽然也能达到目的，但是存在设计过程复杂、设计成本较高、需占用较大空间、功耗较大等不足。随着科技的进步，一种集成的滤波电路——开关电容滤波器，开始在现在的电路设计中得到较多应用。开关电容滤波器是一种离散时间模拟滤波器，它主要由3个功能部件构成[1]：运算放大器、MOS开关和电容器，只需较少的外部电阻便可实现多种滤波功能。与由分立元件构成的滤波器相比，集成的滤波芯片具有占用体积小、功耗低、设计简单、成本低等优点。这符合当代的电路设计理念，因而得到广泛的应用[2-4]。在本文中，笔者选择了开关电容滤波器MAX7491作为滤波器设计的核心器件，构建了带通滤波器和带阻滤波器，将其应用于实际电路，得到了令人满意的效果。

1 MAX7491的结构、特点及工作原理

MAX7491是美信（MAXIM）公司设计的一款双路通用开关电容滤波器[5]，它内部由两个完全一样的双二阶拓扑结构的开关电容滤波模块组成，其内部结构如图1。

图1 MAX7491内部结构图Fig.1 Block diagram of MAX7491

MAX7491采用16脚QSOP封装。低功耗设计，只需+3 V单电源供电(也可以双电源供电)。输入和输出均具备轨对轨特性，设计滤波器的中心频率最高可达40 kHz。具有高精度特性，其中品质因素Q的误差率为±0.2%，芯片工作时钟转化为滤波器中心频率的误差率为±0.2%。

MAX7491的使用很简便，只要通过在芯片外部适当连接电阻就可实现不同的滤波功能，可以构成低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。此外，通过将多个滤波模块级联，还可以配置构成高阶滤波器。所有经典的滤波器拓扑，如巴特沃斯(Butterworth)、贝塞尔(Bessel)、椭圆（elliptic）和切比雪夫（Chebyshev）等均可以由MAX7491来实现，甚至还可以实现一些用户自定义的算法。

在设计滤波器时，滤波器的中心频率是通过MAX7491工作时钟来确定的。MAX7491有两个时钟源可供选择：占空比为50%的外部时钟和内部振荡器时钟。使用外部时钟时，滤波器中心频率fo（单位：kHz）与芯片的外部时钟频率fCLK（单位：）满足关系式：

使用内部振荡器时钟时，需要在外部连接一个电容COSC（单位：pF），则振荡器频率 fOSC（单位：kHz）：

此时滤波器中心频率由（3）式得出：

MAX7491有6种工作模式，见表1。

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

表中：LP是低通滤波；HP是高通滤波；BP是带通滤波；N是带阻滤波；Q是品质因素；fo是滤波器中心频率，fCLK是MAX7491的工作频率。

用户可以根据实际需要来选用某种模式。下面仅以模式1为例，具体介绍其使用及配置。

图2 模式1电路原理图Fig.2 Schematic diagram of Mode 1

模式1电路原理图如图2所示。电阻R1接在信号输入端，在输出端N与信号输入端INVA之间接入反馈电阻R2，则构建了一个2阶带阻滤波器。在输出端BP与输入端INVA之间接入反馈电阻R3，则构建了一个2阶带通滤波器。直接连通输出端LP与反馈输入端S，则构建了一个2阶低通滤波器。这三种滤波器可以同时工作。以上电阻R1、R2和R3一般约为几十到几百千欧姆，根据所需要的增益来选配。各个输出（N、BP、LP）增益与R1成反比关系。此外，在低通滤波器输出端LP与信号输入端INVA之间连接电容CC可以降低增益误差，CC的最大取值为15 pF。

如果将同一芯片中的两个滤波器模块进行级联则可以配置实现2级带阻滤波、低通滤波和带通滤波以及高品质因素的带通滤波器。如果多个芯片级联还可以实现高阶巴特沃斯低通滤波器、低Q值的带阻滤波器等。模式1下滤波器的中心频率为fo=fCLK/100。

2 应用举例

在应用地下磁流体探测仪[6-8]进行地下水和地下裂隙的探测过程中，仪器主要通过探针接收天然电磁信号，该信号频率范围分布较广，从频率很低的基带信号到数千赫兹的频率信号，包含有强干扰信号，尤其是有很强的工频干扰信号，这些信号数据量大，耦合形式复杂，对仪器进一步的信号处理影响很大，不易于分析处理。因此在对信号进行处理前，需要对探针接收的信号进行滤波处理。下面选用MAX7491来构建作为地下磁流体探测仪的前置处理滤波器。

地下磁流体探测仪前端信号处理原理框图如图3所示。探针采集到的电磁信号，经过带通滤波和带阻滤波后被送入到下一级信号处理电路。

图3 前端信号处理原理框图Fig.3 The front-end signal process block diagram

用MAX7491构建四阶的带通滤波器如图4，四阶带阻滤波器如图5。这两个滤波器都选用了工作模式1，使用外部时钟。对于带通滤波器，时钟fclk是根据仪器的测试频段来确定的，是编程可控的。对于带阻滤波器，其主要作用是滤除50 Hz及其倍频的工频干扰信号，因此可根据需要选择fclk取为5 kHz或其他频率。

图4 4阶带通滤波器Fig.4 4th-order bandpass filter

图5 4阶带阻滤波器Fig.5 4th-order notch filter

图6 和图7是用Labview对所测信号进行分段分析得到的频谱，其中横坐标是频率（单位：Hz），纵坐标是电位幅值（单位：V），采用科学计数法。带通滤波器的的中心频率约为45 Hz，在图5中可以看出，频率低于15 Hz或高于75 Hz的信号通过带通滤波器后其幅值有明显的衰减，而对中心频率附近的信号，滤波器具有较好的选通性，而随着频率远离中心频率，信号有逐渐衰减的趋势。带阻滤波器的中心频率为50 Hz，从图7中可以看到，在50 Hz附近的信号经过带阻滤波后有了明显的衰减，而其他频率信号则能够很好的通过。

图6 带通滤波器输出信号频谱Fig.6 Output signal spectrum of the bandpass filter

图7 带阻滤波器后的输出信号频谱Fig.7 Output siganl spectrum of the notch filter

3 结束语

MAX7491是一款应用方便的开关电容滤波器，只需要较少的外部元件就可实现较复杂的滤波功能，多种工作模式可以满足不同的应用场合需求，并且易于控制，用户只要按需提供合适的中心频率即可达到滤波目的。通过将以MAX7491为核心器件设计的带通和带阻滤波器应用到地下磁流体探测仪的信号采集系统并测试，得到了良好的滤波效果，可见该芯片在功能上是比较优越的。

[1]邢琦峰.开关电容滤波器的设计与应用研究[J].电脑知识与技术，2011，7（7）:1669-1670，1679.XING qi-feng.Research on designing and application of switched-capacitor filter [J].Computer Knowledge and Technology，2011，7（7）:1669-1670，1679.

[2]刘国服，张屺，王光明.可编程开关电容滤波器时钟产生电路的程控调节[J].自动化与仪器仪表，2000（2）:48-50.LIU Guo-fu，ZHANG Qi，WANG Guang-ming.Programmable switch capacitor filter clock generating circuit programcontrolled adjustment[J].Automation&Instrumentation，2000（2）:48-50.

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[8]陈红钊，黄采伦.地下磁流体探测方法在煤矿水害隐患探测中的应用[J].矿业工程研究，2011，26（91）:32-35.CHEN Hong-zhao，HUANG Cai-lun.Applicaiton of underground magneto fluid detection method in hidden disaster in coal mine[J].Mineral Angineering Research，2011，26（91）:32-35.