地网泄流通道测试装置的滤波系统

毕家启 虢韬 杨恒

(贵州电网公司输电运行检修分公司,贵州六盘水 553400)

地网泄流通道测试装置的滤波系统

毕家启 虢韬 杨恒

(贵州电网公司输电运行检修分公司,贵州六盘水 553400)

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。

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2 MAX275内部电路原理

图3 Q值与中心频率关系图

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。

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4M Ω的电阻，可用T型网络等效替换成小阻值电阻。

图4 HEF4051引脚图

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。

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。

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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