高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中信號(hào)的低通濾波原理及實(shí)踐

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和高性能數(shù)據(jù)采集卡的迅速發(fā)展，高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用于科研和工業(yè)的許多領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要對(duì)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換采集到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車中振動(dòng)信號(hào)的譜分析就對(duì)分析和排除航空發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)故障起著極為重要的作用。為了避免信號(hào)分析時(shí)產(chǎn)生頻率混淆，就需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行低通濾波。筆者在研制開發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)CAT系統(tǒng)的過程中，嘗試采用美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的MAX292 八階低通開關(guān)電容濾波器并配合8254定時(shí)／計(jì)數(shù)器，在Pentium計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的低通濾波，并取得了成功。

　　1　問題的提出

　　在對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣分析時(shí)，單靠增加采樣頻率不可能消除頻譜分析時(shí)的頻率混淆現(xiàn)象。因?yàn)槔碚撋现v，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)所包含的頻率范圍是無限的。那么如何解決這個(gè)問題呢?一般采用抗混濾波器來解決。即在采樣前，用一截止頻率為fc的抗混濾波器，先將信號(hào)x(t)施行低通濾波，將不感興趣或不需要的高頻成分濾掉，再將采樣頻率提高到fs=(2.5～5)fc對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣及處理。為此，采用MAX292和8454芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的抗混濾波

　　2　MAX292低通濾波器及8254定時(shí)／計(jì)數(shù)器

　　MAX292能按0.1 Hz～25 kHz的轉(zhuǎn)角頻率來建立濾波。MAX292為Bessel型濾波器，提供低的過沖和快速置定特性。其引腳結(jié)構(gòu)及典型工作電路如圖1(a),(b)所示。

　　圖1　MAX292低通濾波器

　　MAX292的特點(diǎn)及工作極限參數(shù)如下：

　　時(shí)鐘可調(diào)轉(zhuǎn)角頻率范圍：0.1 Hz～25 kHz；
　　不需要外部的電阻器或電容器；
　　內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘；
　　時(shí)鐘頻率對(duì)轉(zhuǎn)角頻率之比: 100∶1；
　　低噪聲：-70 dB總諧波畸變+噪聲(典型值)；
　　在+5 V單電源或±5 V雙電源條件下運(yùn)行；
　　獨(dú)立的運(yùn)放用于抗混疊或時(shí)鐘噪聲濾波；
　　8引腳雙列直插；
　　絕對(duì)最大額定值：電源電壓(V+～V-)±12 V；任一腳處輸入電壓，V--（0.3 V）≤VIN≤V＋＋　　(0.3 V)；連續(xù)功率損耗(TA＝+70　℃)　727　mW；
　　工作溫度范圍(C級(jí))：　0～+70　℃。

　　其頻率響應(yīng)曲線及相位響應(yīng)曲線如圖2所示(fc=1　kHz)。

　　圖2　MAX292頻率和相位響應(yīng)曲線

　　從圖2(b)可以看出MAX292具有線性的相位響應(yīng)，所有的頻率分量被等量延遲，這對(duì)于保持輸入信號(hào)的波形具有重要意義。

　　另外，MAX292低通濾波器的轉(zhuǎn)角頻率是通過加在引腳1(CLOCK)上的時(shí)鐘信號(hào)的頻率來控制的。在所研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)CAT系統(tǒng)中，有時(shí)需要改變對(duì)振動(dòng)信號(hào)的濾波范圍。為此，采用8254定時(shí)／計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX292轉(zhuǎn)角頻率的計(jì)算機(jī)控制。

　　為了控制MAX292的轉(zhuǎn)角頻率，采用8254定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作方式3來產(chǎn)生加在MAX292引腳1上的時(shí)鐘脈沖。8254的工作方式3為方波頻率發(fā)生器，當(dāng)控制字寫進(jìn)控制字寄存器后，輸出變?yōu)楦唠娖?。在寫完?jì)數(shù)值后，計(jì)數(shù)器將自動(dòng)開始對(duì)輸入時(shí)鐘CLK計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)值完成一半時(shí)，計(jì)數(shù)器將改變輸出狀態(tài)，使輸出OUT變?yōu)榈碗娖?，直到?jì)數(shù)結(jié)束OUT又恢復(fù)為高電平，然后重復(fù)此計(jì)數(shù)過程。這樣，就產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)不斷的方波，要想改變此方波信號(hào)的頻率，只需向計(jì)數(shù)值鎖存器重新寫入計(jì)數(shù)值即可。

　　3　計(jì)算機(jī)控制低通濾波系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　在以上討論的基礎(chǔ)上，將MAX292及8254集成于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)信號(hào)可編程控制的低通濾波。具體聯(lián)接方式如圖3所示(單路)。

　　圖3　計(jì)算機(jī)控制低通濾波

　　按圖3所示，若將轉(zhuǎn)角頻率設(shè)置為1 kHz,則要8254之OUT0輸出一100 kHz的方波。這時(shí)，只要通過計(jì)算機(jī)向8254計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值鎖存器寫入:2M/100 000=20即可實(shí)現(xiàn)。

　　最后值得一提的是，以上的系統(tǒng)從1路擴(kuò)展到多路是非常方便的，只要增加計(jì)數(shù)器及濾波器芯片的個(gè)數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。另外，對(duì)濾波器的控制也可通過單片機(jī)來完成，這就使其在工業(yè)和科研領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。