0 引 言

管線探測(cè)儀是一種利用二次場(chǎng)原理進(jìn)行地下金屬管線探測(cè)的專用便攜式儀器，一般包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。其工作原理是首先由發(fā)射機(jī)將一特定頻率的信號(hào)感應(yīng)或直連到地下金屬管線上，從而在金屬管線上感應(yīng)出電流。當(dāng)感應(yīng)電流在金屬管線上傳播時(shí)，會(huì)向外輻射出電磁波。這樣，通過接收機(jī)采用不同的方法檢測(cè)地下金屬管線上輻射出來的這一特定頻率信號(hào)的強(qiáng)度，便可確定其走向及深度。

由于在探測(cè)過程中需要切換多種頻率，所以接收機(jī)的帶通濾波器必須滿足多頻點(diǎn)要求。以往采用多級(jí)選頻電路串聯(lián)或通過切換RC網(wǎng)絡(luò)的方法來實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)濾波。由于這些方法需要較多的元件，且參數(shù)調(diào)整較為困難，因此在探測(cè)儀中使用可程控的開關(guān)電容有源濾波器MAX262來實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)帶通濾波。為了提高檢測(cè)的精確度，必須使系統(tǒng)中的濾波器通帶盡量窄，即在接近通帶的止帶能產(chǎn)生最佳的衰減，并希望濾波器的階數(shù)在滿足前提條件下盡可能小。而切比雪夫型濾波器就具有上述特點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)要求。所以選擇了切比雪夫型濾波器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 MAX262簡(jiǎn)介

MAX262是MAXIM公司推出的通用型開關(guān)電容有源濾波器，通過單片機(jī)可以精確控制濾波器的傳輸函數(shù)。該芯片采用CMOS工藝制造，無(wú)需外部元件，即可構(gòu)成巴特沃思、切比雪夫、貝塞爾、橢圓函數(shù)等類型的帶通、低通、高通、帶阻和全通濾波器。其內(nèi)部包含有兩個(gè)二階濾波器組件，并含有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器。其中心頻率范圍為140 kHz，輸入時(shí)鐘最大為4 MHz。通過對(duì)中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的獨(dú)立編程，可以實(shí)現(xiàn)64級(jí)中心頻率、128級(jí)品質(zhì)因數(shù)的智能控制。其工作原理如圖1所示。

MAX262的每個(gè)濾波器組件都有其各自的輸入時(shí)鐘CLK、獨(dú)立的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q。實(shí)際濾波器的中心頻率f0由濾波器的輸入時(shí)鐘頻率CLK、6 位中心頻率控制字(F0～F6)和工作方式(M0，M1)三者共同確定。每個(gè)組件的品質(zhì)因數(shù)Q(Q0～Q6)也由編程輸入進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)置。以這種方式，MAX262的兩套組件可以分別調(diào)諧，因此可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的濾波器設(shè)計(jì)。但需要注意的是，在MAX262濾波器的內(nèi)部，其采樣速率是輸入時(shí)鐘(CLKA或 CLKB)的一半。

2 基于MAX262的多頻點(diǎn)切比雪型夫帶通濾波器的設(shè)計(jì)

2．1 設(shè)計(jì)原理

從實(shí)際情況綜合考慮，四階切比雪夫型帶通濾波器即可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，所以將MAX262內(nèi)部的兩個(gè)二階的濾波器組件級(jí)聯(lián)組成四階切比雪夫型帶通濾波器。由文獻(xiàn)[1]知，四階切比雪夫型帶通濾波器的傳輸函數(shù)為：

式中：B和C是文獻(xiàn)[1]中附錄A給出的相應(yīng)低通系數(shù)。式(1)可以分解成以下兩個(gè)二階函數(shù)：

式中：K1，K2分別是兩個(gè)二階系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)增益，并且K=K1 K 2。式中：

因此只要給出濾波器的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器系數(shù)，即可得到所需的濾波器輸出響應(yīng)。

2．2 在金屬管線探測(cè)儀中的實(shí)際應(yīng)用

在地下金屬管線探測(cè)中，小于1 kHz的信號(hào)有利于遠(yuǎn)距離追蹤和大直徑管線的探測(cè)，但容易受到外界干擾，且不易感應(yīng)到小口徑管線上。而大于80 kHz的信號(hào)容易感應(yīng)耦合到管線上，但探測(cè)距離小，不利于遠(yuǎn)距離追蹤。綜合考慮，在地下金屬管線探測(cè)儀中，用到了400 Hz，8 kHz，30 kHz，60 kHz，80 kHz，120 kHz等幾個(gè)頻率點(diǎn)，所以在金屬管線探測(cè)儀的接收機(jī)部分，其濾波器的中心頻率必須包含以上幾個(gè)頻率點(diǎn)。然后根據(jù)給出的帶通濾波器的通帶寬度、中心頻率和衰減限度，即可計(jì)算相應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)。

2．2．1 硬件設(shè)計(jì)

在探測(cè)儀的接收機(jī)中，通過單片機(jī)AT89C2051改變MAX262的控制字及工作方式來實(shí)現(xiàn)不同頻點(diǎn)的切換。在要求硬件電路盡量簡(jiǎn)單的前提下，通過對(duì)晶振分頻來產(chǎn)生不同濾波器輸入時(shí)鐘。濾波器設(shè)計(jì)的硬件電路如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘由8 MHz的晶振XTAL提供。通過74F161分頻可以得到4 MHz，2 MHz，1 MHz的時(shí)鐘。在接收低頻信號(hào)時(shí)，通過AT89C2051來自定義合適的濾波器輸入時(shí)鐘。由P3．4和P3．5控制74F153來選擇濾波器輸入時(shí)鐘。 MAX262的4位地址線和2位數(shù)據(jù)線分別連接到AT89C2051的P1口的P1．0～P1．5。寫允許輸入端WR連接到P1．7。將MA．X262內(nèi)部的兩個(gè)二階濾波器組件進(jìn)行級(jí)聯(lián)，并使用MAX262自帶的獨(dú)立放大器將輸出端的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。在電源部分，用旁路電容將V-和V+連接到地(一般電解電容為4．7μF，陶瓷電容為O．1μF)。這些電容應(yīng)盡可能放置在靠近電源引腳的地方。