振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)可程控濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要:由于振動(dòng)臺(tái)掃頻信號(hào)頻率成分復(fù)雜，如何從復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)中提取時(shí)變的振動(dòng)參數(shù)是振動(dòng)臺(tái)性能檢測(cè)和控制需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在系統(tǒng)分析振動(dòng)掃頻信號(hào)檢測(cè)要求的基礎(chǔ)上，基于可編程開(kāi)關(guān)電容有源濾波器MAX262和單片機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了隨掃頻信號(hào)的變化自動(dòng)改變中心頻率的可程控濾波器，并將其應(yīng)用機(jī)械振動(dòng)臺(tái)掃頻信號(hào)檢測(cè)中，實(shí)際應(yīng)用證明了設(shè)計(jì)方法的有效性。

關(guān)鍵詞:可程控 自適應(yīng)濾波器 MAX262 掃頻信號(hào)檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào):TK288文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)07(b)-0023-01

電子設(shè)備的正弦振動(dòng)試驗(yàn)是為了考核電子設(shè)備整機(jī)的抗振特性，其試驗(yàn)結(jié)果是對(duì)該設(shè)備的結(jié)構(gòu)完好性以及對(duì)振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)的依據(jù)。由于機(jī)械振動(dòng)臺(tái)的激振器及其機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)存在多個(gè)固有頻率，振動(dòng)掃頻過(guò)程需按照試驗(yàn)要求不斷改變激振信號(hào)的頻率，使得振動(dòng)掃頻信號(hào)頻率成分復(fù)雜，如何從復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)中提取時(shí)變的振動(dòng)參數(shù)是振動(dòng)臺(tái)性能檢測(cè)和控制需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。采用固定參數(shù)的模擬帶通濾波器進(jìn)行濾波不能滿足掃頻信號(hào)頻率變化時(shí)的跟蹤濾波要求，而采用軟件濾波進(jìn)行補(bǔ)救又影響信號(hào)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。筆者基于可編程開(kāi)關(guān)電容有源濾波器MAX262和單片機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了隨掃頻信號(hào)的變化自動(dòng)改變中心頻率的可程控濾波器，并將其應(yīng)用機(jī)械振動(dòng)臺(tái)掃頻信號(hào)檢測(cè)中，實(shí)際應(yīng)用證明了設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 振動(dòng)掃頻試驗(yàn)原理

正弦振動(dòng)試驗(yàn)室試驗(yàn)室經(jīng)常采用的試驗(yàn)方法。凡是旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、振蕩(船舶、飛機(jī)、車(chē)輛上所出現(xiàn)的)均是正弦振動(dòng)。要模擬這些振動(dòng)環(huán)境，無(wú)疑需用正弦振動(dòng)試驗(yàn)。正弦振動(dòng)掃頻試驗(yàn)的主要目的是通過(guò)模擬設(shè)備應(yīng)用環(huán)境，測(cè)試分析產(chǎn)品的抗振特性。GB/T2324.10規(guī)定了針對(duì)電工電子產(chǎn)品進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)所采用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主要內(nèi)容、試驗(yàn)程序及試驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容。我們實(shí)驗(yàn)用的一個(gè)機(jī)械式正弦振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的掃頻信號(hào)的主要性能指標(biāo):振動(dòng)波形:正弦波;頻率范圍:5-80Hz;加速度幅值:200m/s2。

根據(jù)檢測(cè)需要，可以確定濾波器性能要求:信號(hào)檢測(cè)頻率范圍可程控，一般為帶通F0-5F0HZ。濾波參數(shù)F0設(shè)置方式:通過(guò)RS232隨時(shí)接收上位機(jī)的F0值來(lái)改變?yōu)V波特性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制器，使用集成開(kāi)關(guān)電容濾波芯片MAX262來(lái)完成輸入信號(hào)的濾波工作。單片機(jī)通過(guò)串行口從上位PC接收目前掃頻信號(hào)的基本頻率參數(shù)F0，自動(dòng)計(jì)算濾波器截止頻率，如:F0=5時(shí)，通頻范圍5-50HZ;F0=80HZ時(shí)，通頻范圍80-400HZ，再將濾波控制參數(shù)寫(xiě)入MAX262，MAX262為核心的程控濾波器按照濾波要求進(jìn)行信號(hào)處理，得到的輸出信號(hào)再通過(guò)PCI-9111采集卡采集存儲(chǔ)在上位PC機(jī)中，以便于進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)分析，其系統(tǒng)框圖如(圖1)所示。

2.2 濾波器實(shí)現(xiàn)原理

MAX262內(nèi)部包括兩個(gè)二階開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，它由微處理器精確控制濾波函數(shù)即可構(gòu)成低通、高通、帶通等濾波器。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)將MAX262內(nèi)部的兩個(gè)二級(jí)濾波器A、B級(jí)聯(lián)，來(lái)實(shí)現(xiàn)帶通濾波。濾波器的硬件電路圖略。濾波器有中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和濾波器工作方式三個(gè)編程參數(shù)。在編程參數(shù)f0、Q值和工作模式確定以后，只要將相應(yīng)的編程數(shù)據(jù)裝入MAX262芯片內(nèi)部的寄存器，濾波器的類(lèi)型和頻率特性也就確定了。由輸入時(shí)鐘與6位F0-F5編程代碼一起決定濾波器的中心頻率f0。濾波器的截止頻率的調(diào)節(jié)可通過(guò)改變MAX262的時(shí)鐘信號(hào)頻率fclk與MAX262的頻率控制字N來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中，結(jié)合MAX262的數(shù)據(jù)手冊(cè)，采用查表設(shè)計(jì)方法，根據(jù)MAX262存儲(chǔ)器地址單元將得到的濾波器的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q，寫(xiě)入在內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中。

3 試驗(yàn)應(yīng)用分析

實(shí)際測(cè)試時(shí)，分兩種試驗(yàn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析:分段定頻試驗(yàn)和連續(xù)掃頻試驗(yàn)。15Hz定頻和掃頻振動(dòng)方式振動(dòng)信號(hào)測(cè)量。

分段定頻是在振動(dòng)臺(tái)工作頻率范圍5-80HZ中選取5HZ，10HZ，30HZ，60HZ，80HZ共5個(gè)點(diǎn)，分別啟動(dòng)定頻振動(dòng)控制，應(yīng)用程控濾波器進(jìn)行濾波處理，并把輸入和輸出信號(hào)分2個(gè)通道分別接入PC采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和分析。經(jīng)試驗(yàn)分析可以發(fā)現(xiàn)，程序設(shè)置的濾波器參數(shù)與計(jì)算得到的濾波器參數(shù)之間存在一些差異，但這些誤差可以通過(guò)頻率校正因子的設(shè)置可以基本消除其對(duì)濾波特性影響，該濾波器可以有效地濾除噪聲信號(hào)，實(shí)際測(cè)試得到了比較滿意的濾波效果。

連續(xù)掃頻試驗(yàn)則使振動(dòng)臺(tái)處于掃頻振動(dòng)控制方式，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。掃頻振動(dòng)利用定頻振動(dòng)的校正因子進(jìn)行濾波參數(shù)設(shè)置，但因?yàn)閽哳l過(guò)程頻率變化頻繁，振動(dòng)臺(tái)本身的頻率控制參數(shù)與臺(tái)體實(shí)際產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)實(shí)測(cè)頻率之間存在一定誤差，導(dǎo)致濾波效果受到一定的影響，但也有效濾除了大部分噪音干擾，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析振動(dòng)掃頻試驗(yàn)信號(hào)檢測(cè)需求的基礎(chǔ)上，基于MAX262與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了可程控帶通濾波器的設(shè)計(jì)，并將此濾波器應(yīng)用到實(shí)際振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試中，并經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試分析和系統(tǒng)參數(shù)校正，使該程控濾波器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外圍元件少、頻響范圍寬，使用靈活的優(yōu)點(diǎn)，還可通過(guò)對(duì)不同參數(shù)的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)全通，低通、高通、帶通等濾波器的設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展應(yīng)用到?jīng)_擊信號(hào)、動(dòng)態(tài)稱(chēng)重信號(hào)檢測(cè)等系統(tǒng)中。

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