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可编程滤波器在测振仪的应用

                                                                   可编程滤波器在测振仪中的应用

       摘要:介绍了测振仪可编程滤波器件MAX262的原理、性能及其在测振仪中的应用,并将传统滤波器与数字电路滤波器的性能做了分析比较,证明数字电路滤波器结构简单、使用灵活,滤波效果更理想,提高了振动测量系统的集成度和稳定性。
关键词:可编程控制器;滤波器;微处理机;频率特性测振仪
在测振仪中,滤波器的设计是重点和难点,其性能直接影响振动测量的准确性。因需要测出工件在不同频率段内的振动值以判断工件性能的好坏,故要求仪器具有随时变换滤波器模式和参数的功能。由可编程滤波器件MAX262与微处理器结合构成的滤波电路,只需通过简单的设置即可实现不同频率范围的滤波,且滤波效果理想,抗干扰能力强。
1 　测振仪可编程数字电路滤波器设计图1 　MAX262 结构原理图MAX262 是CMOS型双二阶通用开关电容有源滤波器(见图1)。相互独立的两个二阶滤波器A 和B 分别带有两个开关电容滤波网络(SCN) ,既可以单独使用,也可以级联成四阶滤波器。MAX262的两个滤波器的时钟CLKA和CLKB可以由晶振、电容结合内部电路产生,或者直接由外部提供。滤波器输入信号有效频率的范围与时钟频率有关。每一个滤波器的中心频率或截止频率f0、品质因数Q 以及滤波模式都可由2 位输入的编程数据结合4 位的地址输入进行**设定。图中IN 为滤波器输入端,LP为低通输出端,HP为高通、全通和带阻输出的选择端,BP 为带通输出端。中心频率f 0 由下式计算[1 ]f 0 = f clk/(40. 84 + 1.57N1) (1)

开发部工程师。
式中　测振仪f clk 时钟频率N1 编程数据当时钟频率f clk确定后, 中心频率f 0 的变化取决于编程数据N1 。N1由6位二进制数f 0～ f 5产生,范围为0～63 ,中心频率f 0 可实现定时钟频率f clk下的64 级选择。品质因数Q 为[1]Q= 64/ (128 - N2) (2)式中　N2 编程数据N2 由7 位二进制数Q0～ Q6 产生, 范围为0～127,通过对N2的128 级控制,可实现128 级的Q 选择。MAX262 组成程控滤波电路如图2 所示,每个滤波器的工作模式、中心频率及Q值所需的编程数据,均需要由51 系列单片机89C52 分8 次写入MAX262的内部寄存器来完成设置。输入信号经滤波器MAX262后,通过多路模拟开关MAX313选择低通、高通、全通、带阻及带通等分频处理,再ISSN1000 - 3762CN41 - 1148/TH 　承
Bearing将滤波后的输出信号送入89C52 完成计算。
2 　测振仪两种滤波器的应用比较
传统测振仪滤波器的设计通常采用有源滤波器[2 ],其构成元件是运算放大器和电阻、电容等,对元器件的参数精度要求比较高,设计和调试比较麻烦,而可编程滤波器件MAX262不需外接电阻、电容即可实现高精度的滤波要求,电路设计和连接更简单。下面以钢球振动测量为例进行滤波分析。

　　根据行业标准[3 ] ,钢球振动测量频率响应范围为170～400 Hz (转速830 r/ min) ,频率特性曲线如图3a所示,其中阴影部分为允许的频率响应范围。传统测振仪滤波器的高通和低通部分分别采用4个四阶压控电压源巴特沃斯滤波器级联而成,电阻和电容的选择按巴特沃斯滤波器的要求为5%精度范围, 得到的系统频率特性曲线如图3b所示,而采用MAX262 芯片构成的滤波系统的频率特性曲线如图3c 所示。
通过对以上三种频率特性曲线进行比较可知:
①测振仪在85～204 Hz 和320～800 Hz频率范围内,采用巴特沃斯滤波器和采用MAX262芯片滤波器的系统信号衰减都大于30 dB ,满足标准要求。
②测振仪在170～400 Hz频率范围内,即系统的上下截止频率范围内,采用巴特沃斯滤波器的系统信号幅值变化大,并且在170～204Hz 和320～400Hz的频率范围内信号幅值衰减很快,超过了3 dB的标准要求。而采用MAX262芯片滤波器的系统的信号幅值变化很小,在系统的上下截止频率附近信号幅值的衰减也很小,接近理想的幅频曲线,充分满足标准上整机频响的要求。
参考文献:
[1] 　褚振勇. FPGA 设计及应用[M]. 西安:西安电子科技
大学出版社,2002.
[2] 　约翰逊D E ,希尔伯恩J L. 有源滤波器的快速实用设
计[M]. 潘秋明,译. 北京:人民邮电出版社,1985.
[3] 　JB/ T 8075 - 1996 ,滚动轴承钢球振动测量仪标准
[S]. (编辑:杜迎辉)

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