高性能數據采集系統中信號的低通濾波原理及實踐

　　隨著計算機技術和高性能數據采集卡的迅速發展，高性能的數據采集系統越來越廣泛地應用于科研和工業的許多領域。在實際應用中，往往需要對經A/D轉換采集到的信號進行頻譜分析，例如，航空發動機試車中振動信號的譜分析就對分析和排除航空發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。筆者在研制開發航空發動機CAT系統的過程中，嘗試采用美國MAXIM公司生產的MAX292 八階低通開關電容濾波器并配合8254定時／計數器，在Pentium計算機的控制下實現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象。因為理論上講，發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芯片來實現對信號的抗混濾波

　　2　MAX292低通濾波器及8254定時／計數器

　　MAX292能按0.1 Hz～25 kHz的轉角頻率來建立濾波。MAX292為Bessel型濾波器，提供低的過沖和快速置定特性。其引腳結構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如下：

　　時鐘可調轉角頻率范圍：0.1 Hz～25 kHz；
　　不需要外部的電阻器或電容器；
　　內部時鐘或外部時鐘；
　　時鐘頻率對轉角頻率之比: 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)；連續功率損耗(TA＝+70　℃)　727　mW；
　　工作溫度范圍(C級)：　0～+70　℃。

　　其頻率響應曲線及相位響應曲線如圖2所示(fc=1　kHz)。

　　圖2　MAX292頻率和相位響應曲線

　　從圖2(b)可以看出MAX292具有線性的相位響應，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。在所研制的航空發動機CAT系統中，有時需要改變對振動信號的濾波范圍。為此，采用8254定時／計數器來實現對MAX292轉角頻率的計算機控制。

　　為了控制MAX292的轉角頻率，采用8254定時計數器的工作方式3來產生加在MAX292引腳1上的時鐘脈沖。8254的工作方式3為方波頻率發生器，當控制字寫進控制字寄存器后，輸出變為高電平。在寫完計數值后，計數器將自動開始對輸入時鐘CLK計數。在計數值完成一半時，計數器將改變輸出狀態，使輸出OUT變為低電平，直到計數結束OUT又恢復為高電平，然后重復此計數過程。這樣，就產生一個連續不斷的方波，要想改變此方波信號的頻率，只需向計數值鎖存器重新寫入計數值即可。

　　3　計算機控制低通濾波系統的實現

　　在以上討論的基礎上，將MAX292及8254集成于數據采集系統中，實現了對振動信號可編程控制的低通濾波。具體聯接方式如圖3所示(單路)。

　　圖3　計算機控制低通濾波

　　按圖3所示，若將轉角頻率設置為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計數器的計數值鎖存器寫入:2M/100 000=20即可實現。

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