0 引 言

管線探測儀是一種利用二次場原理進(jìn)行地下金屬管線探測的專用便攜式儀器，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，會向外輻射出電磁波。這樣，通過接收機(jī)采用不同的方法檢測地下金屬管線上輻射出來的這一特定頻率信號的強(qiáng)度，便可確定其走向及深度。

由于在探測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要求。以往采用多級選頻電路串聯(lián)或通過切換RC網(wǎng)絡(luò)的方法來實現(xiàn)多頻點濾波。由于這些方法需要較多的元件，且參數(shù)調(diào)整較為困難，因此在探測儀中使用可程控的開關(guān)電容有源濾波器MAX262來實現(xiàn)多頻點帶通濾波。為了提高檢測的精確度，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，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。

1 MAX262簡介

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)部包含有兩個二階濾波器組件，并含有一個獨(dú)立的運(yùn)算放大器。其中心頻率范圍為140 kHz，輸入時鐘最大為4 MHz。通過對中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的獨(dú)立編程，可以實現(xiàn)64級中心頻率、128級品質(zhì)因數(shù)的智能控制。其工作原理如圖1所示。

MAX262的每個濾波器組件都有其各自的輸入時鐘CLK、獨(dú)立的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q。實際濾波器的中心頻率f0由濾波器的輸入時鐘頻率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，因此可實現(xiàn)復(fù)雜的濾波器設(shè)計。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鐘(CLKA或 CLKB)的一半。

2 基于MAX262的多頻點切比雪型夫帶通濾波器的設(shè)計

2．1 設(shè)計原理

從實際情況綜合考慮，四階切比雪夫型帶通濾波器即可滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，所以將MAX262內(nèi)部的兩個二階的濾波器組件級聯(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二階函數(shù)：

式中：K1，K2分別是兩個二階系統(tǒng)的級聯(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 在金屬管線探測儀中的實際應(yīng)用

在地下金屬管線探測中，小于1 kHz的信號有利于遠(yuǎn)距離追蹤和大直徑管線的探測，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的信號容易感應(yīng)耦合到管線上，但探測距離小，不利于遠(yuǎn)距離追蹤。綜合考慮，在地下金屬管線探測儀中，用到了400 Hz，8 kHz，30 kHz，60 kHz，80 kHz，120 kHz等幾個頻率點，所以在金屬管線探測儀的接收機(jī)部分，其濾波器的中心頻率必須包含以上幾個頻率點。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，即可計算相應(yīng)的濾波器設(shè)計參數(shù)。

2．2．1 硬件設(shè)計

在探測儀的接收機(jī)中，通過單片機(jī)AT89C2051改變MAX262的控制字及工作方式來實現(xiàn)不同頻點的切換。在要求硬件電路盡量簡單的前提下，通過對晶振分頻來產(chǎn)生不同濾波器輸入時鐘。濾波器設(shè)計的硬件電路如圖2所示，整個系統(tǒng)時鐘由8 MHz的晶振XTAL提供。通過74F161分頻可以得到4 MHz，2 MHz，1 MHz的時鐘。在接收低頻信號時，通過AT89C2051來自定義合適的濾波器輸入時鐘。由P3．4和P3．5控制74F153來選擇濾波器輸入時鐘。 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)部的兩個二階濾波器組件進(jìn)行級聯(lián)，并使用MAX262自帶的獨(dú)立放大器將輸出端的信號進(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。