地网泄流通道测试装置的滤波系统

毕家启 虢韬 杨恒

【摘 要】滤波技术在通信，医疗，工业控制等领域有着非常广泛的应用。不论在电源设计还是通信领域，都离不开滤波技术的参与。滤波是将信号中特定波段频率滤除，进而提取有用信号的一种操作，通常将它作为一项抑制噪声干扰的重要措施予以应用。本文主要介绍了一种应用于地网泄流通道测试装置的模拟滤波系统，介绍该系统的原理实现过程，设计方法及注意事项。

【关键词】泄流 滤波 原理

1 滤波技术简介

滤波技术在通信，医疗，工业控制等领域有着非常广泛的应用。不论在电源设计还是通信领域，都离不开滤波技术的参与。滤波是将信号中特定波段频率滤除，进而提取有用信号的一种操作，通常将它作为一项抑制噪声干扰的重要措施予以应用。

2 滤波技术对管线定位系统的意义

应用本系统的地网泄流通道测试装置是根据电磁法的原理来设计的，由发射机和接收机两部分构成。接收机通过接收发射机发出的特定频率电磁信号，继而计算出地下管线的相对深度与位置。接收机的滤波系统是否稳定可靠，直接决定最后的数据是否可靠。

3 滤波系统原理框图

本系统使用模拟滤波的方式，采用MAX275有源滤波芯片配合外围电阻，实现中心频率可编程切换的带通滤波系统。系统由信号预处理模块，主滤波芯片，模拟开关芯片，信号输出模块，配置电阻构成。整体滤波系统的实现原理框图如图1所示。

图1 控制流程图

信号预处理模块负责对信号进行初步处理，主要包括信号采样电路，低通滤波电路，信号放大电路，实现原始信号的采样放大并去除信号中的毛刺噪声。带通滤波的功能由滤波芯片来实现，与模拟开关芯片配合，构成多频率的带通滤波。信号输出模块用来保证信号的后级隔离，避免接口处的噪声影响内部滤波系统正常工作。

4 模拟滤波芯片

MAX275是美国MAXIM公司生产的通用型有源滤波器。采用20脚DIP或SO封装。最大信号频率可达300kHz，与传统开关电容滤波器相比，具有更低的噪声，更好的动态特性。 MAX275的滤波基本电路如图2所示，通过内部电容和外置电阻构成级联积分电路。只要根据公式确定少量外围电阻的阻值，就能搭建出性能良好的二阶巴特沃思带通滤波电路。

图2 MAX275内部电路原理

外接电阻R1～R4的阻值通过以下步骤进行设计：1.本系统实现带通滤波功能，首先确定系统的中心频率，中心频率由R2进行确定，相关公式为R2=（2 ×109/F0），电阻R4=R2-5kΩ；2.确定滤波系统Q值，Q值越大滤波效果越好，同时系统也越不稳定，越容易自激振荡。设计时应作综合考虑。Q值的有效范围与中心频率的对应关系如图3所示。系统的Q值由R3确定，R3=[Q（2×109）]/F0×（RX/RY），其中RX/RY的值由控制端FC的接法决定，FC接地则RX/RY=1/5，接正电源则RX/RY=4，接负电源RX/RY=1/25；3.确定带通滤波器增益HOBP，相关公式为R1=R3/HOBP 。

要注意的是，所选用的电阻，阻值范围应保证在5kΩ到4MΩ之间，电阻太小，内部运放驱动力不足，系统不稳定。电阻太大，受电阻精度与寄生电容影响，会导致滤波特性出现较大偏差，对于大于4MΩ的电阻，可用T型网络等效替换成小阻值电阻。

图3 Q值与中心频率关系图

5 模拟开关芯片

模拟开关芯片，又称模拟通道复用器，用以实现MAX275外置电阻的切换。本系统中选用HEF4051芯片，是一种通用型的八路模拟选通芯片，芯片引脚定义如图4所示。查阅芯片手册可知，采用±5V供电时，芯片导通电阻典型值为65Ω。实际测试时，导通电阻在69-75欧姆，参数基本一致。考虑到本系统应用于管线定位设备，其工作频率一般在200Hz～30kHz，根据频率计算后的配置电阻阻值都远大于70Ω，因此在一般的应用场合（配置电阻大于7k），可以不考虑导通电阻对整体精度带来的影响。

图4 HEF4051引脚图

A0、A1、A2为选通地址，决定Y0～Y7中哪个通道对Z点导通，将不同参数的电阻接到Y0～Y7，即可通过控制器的I/O端口控制选通地址，实现不同阻值电阻的切换。E脚为芯片使能端口，低电平有效，高电平时，Y0-Y7全部为高组态。

6 信号输出模块

信号输出模块，用来隔离信号的输出端口，保证滤波系统的运行不受输出端口的影响。本系统使用单路高速运放芯片LMH6642构成简单的电压跟随器电路，实现信号的有效隔离。

在实际设计过程中，也可依据实际要求对模块进行修改，实现诸如功率放大，信号放大，限幅输出，峰值保持等功能。

7 结语

本系统使用MAX275实现带通滤波，通过HEF4051芯片切换电阻，实现滤波系统中心频率的切换。本系统结构简单，滤波效果良好，在设计过程中应该注意Q值的合理选取及配置电阻的阻值范围。同时设计者还可以根据实际系统要求，将多个此类滤波系统进行级联，构成不同放大倍数与滤波阶数的可编程滤波系统，以满足不同项目在应用中的具体要求。