高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中信號的低通濾波原理及實踐

　　隨著計算機技術(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。在實際應(yīng)用中，往往需要對經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換采集到的信號進行頻譜分析，例如，航空發(fā)動機試車中振動信號的譜分析就對分析和排除航空發(fā)動機的振動故障起著極為重要的作用。為了避免信號分析時產(chǎn)生頻率混淆，就需要對模擬信號進行低通濾波。筆者在研制開發(fā)航空發(fā)動機CAT系統(tǒng)的過程中，嘗試采用美國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／計數(shù)器，在Pentium計算機的控制下實現(xiàn)對振動信號的低通濾波，并取得了成功。

　　1　問題的提出

　　在對航空發(fā)動機振動信號進行采樣分析時，單靠增加采樣頻率不可能消除頻譜分析時的頻率混淆現(xiàn)象。因為理論上講，發(fā)動機振動信號所包含的頻率范圍是無限的。那么如何解決這個問題呢?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對信號進行采樣及處理。為此，采用MAX292和8454芯片來實現(xiàn)對信號的抗混濾波

　　2　MAX292低通濾波器及8254定時／計數(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的特點及工作極限參數(shù)如下：

　　時鐘可調(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)部時鐘或外部時鐘；
　　時鐘頻率對轉(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雙電源條件下運行；
　　獨立的運放用于抗混疊或時鐘噪聲濾波；
　　8引腳雙列直插；
　　絕對最大額定值：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)：　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，這對于保持輸入信號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)上的時鐘信號的頻率來控制的。在所研制的航空發(fā)動機CAT系統(tǒng)中，有時需要改變對振動信號的濾波范圍。為此，采用8254定時／計數(shù)器來實現(xiàn)對MAX292轉(zhuǎn)角頻率的計算機控制。

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

　　3　計算機控制低通濾波系統(tǒng)的實現(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，實現(xiàn)了對振動信號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　計算機控制低通濾波

　　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，只要通過計算機向8254計數(shù)器的計數(shù)值鎖存器寫入:2M/100 000=20即可實現(xiàn)。

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