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振动信号检测可程控滤波器设计与应用

振动信号检测可程控滤波器设计与应用

作者:王炜皋张新娜毛泽舜吴英敏

来源:《科技创新导报》2012年第20期

摘要:由于振动台扫频信号频率成分复杂,如何从复杂振动信号中提取时变的振动参数是振动台性能检测和控制需要解决的关键问题。在系统分析振动扫频信号检测要求的基础上,基于可编程开关电容有源滤波器MAX262和单片机系统,设计了随扫频信号的变化自动改变中心频率的可程控滤波器,并将其应用机械振动台扫频信号检测中,实际应用证明了设计方法的有效性。

关键词:可程控自适应滤波器 MAX262 扫频信号检测

中图分类号:TK288 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(b)-0023-01

电子设备的正弦振动试验是为了考核电子设备整机的抗振特性,其试验结果是对该设备的结构完好性以及对振动环境的适应性进行评价的依据。由于机械振动台的激振器及其机械传动系统存在多个固有频率,振动扫频过程需按照试验要求不断改变激振信号的频率,使得振动扫频信号频率成分复杂,如何从复杂振动信号中提取时变的振动参数是振动台性能检测和控制需要解决的关键问题。采用固定参数的模拟带通滤波器进行滤波不能满足扫频信号频率变化时的跟踪滤波要求,而采用软件滤波进行补救又影响信号检测的实时性。笔者基于可编程开关电容有源滤波器MAX262和单片机系统,设计了随扫频信号的变化自动改变中心频率的可程控滤波器,并将其应用机械振动台扫频信号检测中,实际应用证明了设计方法的有效性。

1 振动扫频试验原理

正弦振动试验室试验室经常采用的试验方法。凡是旋转、脉动、振荡(船舶、飞机、车辆上所出现的)均是正弦振动。要模拟这些振动环境,无疑需用正弦振动试验。正弦振动扫频试验的主要目的是通过模拟设备应用环境,测试分析产品的抗振特性。GB/T2324.10规定了针对电工电子产品进行正弦振动试验所采用实验设备的主要内容、试验程序及试验报告的内容。我们实验用的一个机械式正弦振动试验台的扫频信号的主要性能指标:振动波形:正弦波;频率范围:5-80Hz;加速度幅值:200m/s2。

根据检测需要,可以确定滤波器性能要求:信号检测频率范围可程控,一般为带通F0-

5F0HZ。滤波参数F0设置方式:通过RS232随时接收上位机的F0值来改变滤波特性。

2 系统设计

2.1 系统方案

本系统以单片机作为控制器,使用集成开关电容滤波芯片MAX262来完成输入信号的滤波工作。单片机通过串行口从上位PC接收目前扫频信号的基本频率参数F0,自动计算滤波器截

止频率,如:F0=5时,通频范围5-50HZ;F0=80HZ时,通频范围80-400HZ,再将滤波控制参数写入MAX262,MAX262为核心的程控滤波器按照滤波要求进行信号处理,得到的输出信号再通过PCI-9111采集卡采集存储在上位PC机中,以便于进行振动信号分析,其系统框图如(图1)所示。

2.2 滤波器实现原理

MAX262内部包括两个二阶开关电容有源滤波器,它由微处理器精确控制滤波函数即可构成低通、高通、带通等滤波器。本系统设计通过将MAX262内部的两个二级滤波器A、B级联,来实现带通滤波。滤波器的硬件电路图略。滤波器有中心频率f0、品质因数Q和滤波器工作方式三个编程参数。在编程参数f0、Q值和工作模式确定以后,只要将相应的编程数据装入MAX262芯片内部的寄存器,滤波器的类型和频率特性也就确定了。由输入时钟与6位F0-F5编程代码一起决定滤波器的中心频率f0。滤波器的截止频率的调节可通过改变MAX262的时钟信号频率fclk与MAX262的频率控制字N来实现。设计中,结合MAX262的数据手册,采用查

表设计方法,根据MAX262存储器地址单元将得到的滤波器的中心频率f0和品质因数Q,写入在内部程序存储器中。

3 试验应用分析

实际测试时,分两种试验方式进行数据采集和分析:分段定频试验和连续扫频试验。15Hz定频和扫频振动方式振动信号测量。

分段定频是在振动台工作频率范围5-80HZ中选取5HZ,10HZ,30HZ,60HZ,80HZ共5个点,分别启动定频振动控制,应用程控滤波器进行滤波处理,并把输入和输出信号分2个通道分别接入PC采集系统进行数据显示和分析。经试验分析可以发现,程序设置的滤波器参数与计算得到的滤波器参数之间存在一些差异,但这些误差可以通过频率校正因子的设置可以基本消除其对

滤波特性影响,该滤波器可以有效地滤除噪声信号,实际测试得到了比较满意的滤波效果。

连续扫频试验则使振动台处于扫频振动控制方式,并进行数据采集和分析。扫频振动利用

定频振动的校正因子进行滤波参数设置,但因为扫频过程频率变化频繁,振动台本身的频率控制参数与台体实际产生的振动信号实测频率之间存在一定误差,导致滤波效果受到一定的影响,但也有效滤除了大部分噪音干扰,基本达到设计要求。

4 结语

本文在分析振动扫频试验信号检测需求的基础上,基于MAX262与单片机实现了可程控带通滤波器的设计,并将此滤波器应用到实际振动台的振动信号测试中,并经过实际测试分析和系统参数校正,使该程控滤波器达到了设计要求。该滤波器具有结构简单、外围元件少、频响范

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