MAX7491芯片及其在信號采集系統中的應用

濾波器是信號處理電路必不可少的一部分，傳統的濾波器大多由電阻、電容、電感等分立元器件，根據理論設計，按一定的方式排列組合而成，雖然也能達到目的，但是存在設計過(guò)程復雜、設計成本較高、需占用較大空間、功耗較大等不足。隨著(zhù)科技的進(jìn)步，一種集成的濾波電路——開(kāi)關(guān)電容濾波器，開(kāi)始在現在的電路設計中得到較多應用。開(kāi)關(guān)電容濾波器是一種離散時(shí)間模擬濾波器，它主要由3個(gè)功能部件構成：運算放大器、MOS開(kāi)關(guān)和電容器，只需較少的外部電阻便可實(shí)現多種濾波功能。與由分立元件構成的濾波器相比，集成的濾波芯片具有占用體積小、功耗低、設計簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。這符合當代的電路設計理念，因而得到廣泛的應用。在本文中，筆者選擇了開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX 7491作為濾波器設計的核心器件，構建了帶通濾波器和帶阻濾波器，將其應用于實(shí)際電路，得到了令人滿(mǎn)意的效果。

1 MAX7491的結構、特點(diǎn)及工作原理

MAX7491是美信(MAXIM)公司設計的一款雙路通用開(kāi)關(guān)電容濾波器，它內部由兩個(gè)完全一樣的雙二階拓撲結構的開(kāi)關(guān)電容濾波模塊組成，其內部結構如圖1。

MAX7491采用16腳QSOP封裝。低功耗設計，只需+3 V單電源供電(也可以雙電源供電)。輸入和輸出均具備軌對軌特性，設計濾波器的中心頻率最高可達40 kHz。具有高精度

特性，其中品質(zhì)因素Q的誤差率為±0.2%，芯片工作時(shí)鐘轉化為濾波器中心頻率的誤差率為±0.2%。

MAX7491的使用很簡(jiǎn)便，只要通過(guò)在芯片外部適當連接電阻就可實(shí)現不同的濾波功能，可以構成低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。此外，通過(guò)將多個(gè)濾波模塊級聯(lián)，還可以配置構成高階濾波器。所有經(jīng)典的濾波器拓撲，如巴特沃斯(Butterworth)、貝塞爾(Bessel)、橢圓(elliptie)和切比雪夫(Chebyshev)等均可以由MAX7491來(lái)實(shí)現，甚至還可以實(shí)現一些用戶(hù)自定義的算法。

在設計濾波器時(shí)，濾波器的中心頻率是通過(guò)MAX7491工作時(shí)鐘來(lái)確定的。MAX7491有兩個(gè)時(shí)鐘源可供選擇：占空比為50%的外部時(shí)鐘和內部振蕩器時(shí)鐘。使用外部時(shí)鐘時(shí)，濾波器中心頻率fo(單位：kHz)與芯片的外部時(shí)鐘頻率fCLK(單位：)滿(mǎn)足關(guān)系式：

fo=fCLK/100 (1)

使用內部振蕩器時(shí)鐘時(shí)，需要在外部連接一個(gè)電容COSC(單位：pF)，則振蕩器頻率fOSC(單位：kHz)：

fOSC=135×103/COSC (2)

此時(shí)濾波器中心頻率由(3)式得出：

fo=fOSC/100 (3)

MAX7491有6種工作模式，見(jiàn)表1。

表中：LP是低通濾波;HP是高通濾波;BP是帶通濾波;

N是帶阻濾波;Q是品質(zhì)因素;fo是濾波器中心頻率，fCLK是MAX7491的工作頻率。

用戶(hù)可以根據實(shí)際需要來(lái)選用某種模式。下面僅以模式1為例，具體介紹其使用及配置。

模式1電路原理圖如圖2所示。電阻R1接在信號輸入端，在輸出端N與信號輸入端INVA之間接入反饋電阻R2，則構建了一個(gè)2階帶阻濾波器。在輸出端BP與輸入端INVA之間接入反饋電阻R3，則構建了一個(gè)2階帶通濾波器。直接連通輸出端LP與反饋輸入端S，則構建了一個(gè)2階低通濾波器。這三種濾波器可以同時(shí)工作。以上電阻R1、R2和R3一般約為幾十到幾百千歐姆，根據所需要的增益來(lái)選配。各個(gè)輸出(N、BP、LP)增益與R1成反比關(guān)系。此外，在低通濾波器輸出端LP與信號輸入端INVA之間連接電容Cc可以降低增益誤差，Cc的最大取值為15 pF。

如果將同一芯片中的兩個(gè)濾波器模塊進(jìn)行級聯(lián)則可以配置實(shí)現2級帶阻濾波、低通濾波和帶通濾波以及高品質(zhì)因素的帶通濾波器。如果多個(gè)芯片級聯(lián)還可以實(shí)現高階巴特沃斯低通濾波器、低Q值的帶阻濾波器等。模式1下濾波器的中心頻率為fo=fCLK/100。

2 應用舉例

在應用地下磁流體探測儀進(jìn)行地下水和地下裂隙的探測過(guò)程中，儀器主要通過(guò)探針接收天然電磁信號，該信號頻率范圍分布較廣，從頻率很低的基帶信號到數千赫茲的頻率信號，包含有強干擾信號，尤其是有很強的工頻干擾信號，這些信號數據量大，耦合形式復雜，對儀器進(jìn)一步的信號處理影響很大，不易于分析處理。因此在對信號進(jìn)行處理前，需要對探針接收的信號進(jìn)行濾波處理。下面選用MAX7491來(lái)構建作為地下磁流體探測儀的前置處理濾波器。

地下磁流體探測儀前端信號處理原理框圖如圖3所示。探針采集到的電磁信號，經(jīng)過(guò)帶通濾波和帶阻濾波后被送入到下一級信號處理電路。

用MAX7491構建四階的帶通濾波器如圖4，四階帶阻濾波器如圖5。這兩個(gè)濾波器都選用了工作模式1，使用外部時(shí)鐘。對于帶通濾波器，時(shí)鐘fclk是根據儀器的測試頻段來(lái)確定的，是編程可控的。對于帶阻濾波器，其主要作用是濾除50 Hz及其倍頻的工頻干擾信號，因此可根據需要選擇fclk取為5 kHz或其他頻率。

圖6和圖7是用Labview對所測信號進(jìn)行分段分析得到的頻譜，其中橫坐標是頻率(單位：Hz)，縱坐標是電位幅值(單位：V)，采用科學(xué)計數法。帶通濾波器的的中心頻率約為

45 Hz，在圖5中可以看出，頻率低于15 Hz或高于75 Hz的信號通過(guò)帶通濾波器后其幅值有明顯的衰減，而對中心頻率附近的信號，濾波器具有較好的選通性，而隨著(zhù)頻率遠離中

心頻率，信號有逐漸衰減的趨勢。帶阻濾波器的中心頻率為50 Hz，從圖7中可以看到，在50 Hz附近的信號經(jīng)過(guò)帶阻濾波后有了明顯的衰減，而其他頻率信號則能夠很好的通過(guò)。

MAX7491是一款應用方便的開(kāi)關(guān)電容濾波器，只需要較少的外部元件就可實(shí)現較復雜的濾波功能，多種工作模式可以滿(mǎn)足不同的應用場(chǎng)合需求，并且易于控制，用戶(hù)只要按需提供合適的中心頻率即可達到濾波目的。通過(guò)將以MAX7491為核心器件設計的帶通和帶阻濾波器應用到地下磁流體探測儀的信號采集系統并測試，得到了良好的濾波效果，可見(jiàn)該芯片在功能上是比較優(yōu)越的。