MAX7491芯片及其在信号采集系统中的应用

滤波器是信号处理电路必不可少的一部分，传统的滤波器大多由电阻、电容、电感等分立元器件，根据理论设计，按一定的方式排列组合而成，虽然也能达到目的，但是存在设计过程复杂、设计成本较高、需占用较大空间、功耗较大等不足。随着科技的进步，一种集成的滤波电路——开关电容滤波器，开始在现在的电路设计中得到较多应用。开关电容滤波器是一种离散时间模拟滤波器，它主要由3个功能部件构成：运算放大器、MOS开关和电容器，只需较少的外部电阻便可实现多种滤波功能。与由分立元件构成的滤波器相比，集成的滤波芯片具有占用体积小、功耗低、设计简单、成本低等优点。这符合当代的电路设计理念，因而得到广泛的应用。在本文中，笔者选择了开关电容滤波器MAX 7491作为滤波器设计的核心器件，构建了带通滤波器和带阻滤波器，将其应用于实际电路，得到了令人满意的效果。

1 MAX7491的结构、特点及工作原理

MAX7491是美信(MAXIM)公司设计的一款双路通用开关电容滤波器，它内部由两个完全一样的双二阶拓扑结构的开关电容滤波模块组成，其内部结构如图1。

MAX7491采用16脚QSOP封装。低功耗设计，只需+3 V单电源供电(也可以双电源供电)。输入和输出均具备轨对轨特性，设计滤波器的中心频率最高可达40 kHz。具有高精度

特性，其中品质因素Q的误差率为±0.2%，芯片工作时钟转化为滤波器中心频率的误差率为±0.2%。

MAX7491的使用很简便，只要通过在芯片外部适当连接电阻就可实现不同的滤波功能，可以构成低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。此外，通过将多个滤波模块级联，还可以配置构成高阶滤波器。所有经典的滤波器拓扑，如巴特沃斯(Butterworth)、贝塞尔(Bessel)、椭圆(elliptie)和切比雪夫(Chebyshev)等均可以由MAX7491来实现，甚至还可以实现一些用户自定义的算法。

在设计滤波器时，滤波器的中心频率是通过MAX7491工作时钟来确定的。MAX7491有两个时钟源可供选择：占空比为50%的外部时钟和内部振荡器时钟。使用外部时钟时，滤波器中心频率fo(单位：kHz)与芯片的外部时钟频率fCLK(单位：)满足关系式：

fo=fCLK/100 (1)

使用内部振荡器时钟时，需要在外部连接一个电容COSC(单位：pF)，则振荡器频率fOSC(单位：kHz)：

fOSC=135×103/COSC (2)

此时滤波器中心频率由(3)式得出：

fo=fOSC/100 (3)

MAX7491有6种工作模式，见表1。

表中：LP是低通滤波;HP是高通滤波;BP是带通滤波;

N是带阻滤波;Q是品质因素;fo是滤波器中心频率，fCLK是MAX7491的工作频率。

用户可以根据实际需要来选用某种模式。下面仅以模式1为例，具体介绍其使用及配置。

模式1电路原理图如图2所示。电阻R1接在信号输入端，在输出端N与信号输入端INVA之间接入反馈电阻R2，则构建了一个2阶带阻滤波器。在输出端BP与输入端INVA之间接入反馈电阻R3，则构建了一个2阶带通滤波器。直接连通输出端LP与反馈输入端S，则构建了一个2阶低通滤波器。这三种滤波器可以同时工作。以上电阻R1、R2和R3一般约为几十到几百千欧姆，根据所需要的增益来选配。各个输出(N、BP、LP)增益与R1成反比关系。此外，在低通滤波器输出端LP与信号输入端INVA之间连接电容Cc可以降低增益误差，Cc的最大取值为15 pF。

如果将同一芯片中的两个滤波器模块进行级联则可以配置实现2级带阻滤波、低通滤波和带通滤波以及高品质因素的带通滤波器。如果多个芯片级联还可以实现高阶巴特沃斯低通滤波器、低Q值的带阻滤波器等。模式1下滤波器的中心频率为fo=fCLK/100。

2 应用举例

在应用地下磁流体探测仪进行地下水和地下裂隙的探测过程中，仪器主要通过探针接收天然电磁信号，该信号频率范围分布较广，从频率很低的基带信号到数千赫兹的频率信号，包含有强干扰信号，尤其是有很强的工频干扰信号，这些信号数据量大，耦合形式复杂，对仪器进一步的信号处理影响很大，不易于分析处理。因此在对信号进行处理前，需要对探针接收的信号进行滤波处理。下面选用MAX7491来构建作为地下磁流体探测仪的前置处理滤波器。

地下磁流体探测仪前端信号处理原理框图如图3所示。探针采集到的电磁信号，经过带通滤波和带阻滤波后被送入到下一级信号处理电路。

用MAX7491构建四阶的带通滤波器如图4，四阶带阻滤波器如图5。这两个滤波器都选用了工作模式1，使用外部时钟。对于带通滤波器，时钟fclk是根据仪器的测试频段来确定的，是编程可控的。对于带阻滤波器，其主要作用是滤除50 Hz及其倍频的工频干扰信号，因此可根据需要选择fclk取为5 k