CN102386887B - 基于脉宽调制的跟踪滤波电路及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于脉宽调制的跟踪滤波电路及其设计方法，包括双二次环带通滤波电路和嵌接在该双二次环带通滤波电路的第一、第二和第三模拟电子开关，该三个模拟电子开关接收同一控制端输出的脉宽调制信号，所述双二次环带通滤波电路包括第一至第六电阻，以及第一至第三运算放大器，其中，第一、第三模拟电子开关分别串接在所述第一、第四电阻所在的支路上，第二模拟电子开关连接在所述第三电阻与所述第二运算放大器的反相输入端之间。设计方法为确定全导通频率等各参数，选择运算放大器的型号，并确定各电阻和电容值，进行电路性能核算。本发明的设计方法简单，所设计实现的跟踪滤波电路结构简单，易于实现，具有带通跟踪滤波功能，且成本低廉。

Description

基于脉宽调制的跟踪滤波电路及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种滤波电路，尤其涉及一种基于脉宽调制的跟踪滤波电路及其设计方法。

背景技术

滤波电路在实际中应用非常广泛，在许多测控电路中，被测信号的中心频率f₀在很宽的频带内变化，要求测量电路在很窄的f₀±Δf频带内提取测量信号。在这种情况下，采用普通滤波电路无法获得所需的测量信号，而利用中心频率自动可调的跟踪滤波电路可以有效地解决这个问题。

实现跟踪滤波电路的方法有多种，如压控跟踪滤波电路、变频跟踪滤波电路等。在压控跟踪滤波电路中，压控电压与中心频率之间的线性关系一般不理想，一般需要通过闭环系统将滤波电路中心频率锁定在信号中心频率，从而实现跟踪滤波；变频跟踪滤波电路结构复杂，对噪声的抑制往往要通过晶体滤波器来实现。

在实践中，可以通过电子元器件自行搭接跟踪滤波电路，也可直接在市场中购买具有跟踪滤波功能的集成芯片来实现相应的滤波功能。但是由于具有跟踪滤波功能的集成芯片价格较高、工作模式固定等，限制了集成芯片的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种基于脉宽调制的跟踪滤波电路及其设计方法，本发明的跟踪滤波电路结构简单，易于实现，具有带通跟踪滤波功能，且成本低廉；本发明的设计方法简单，且易于实现。

实现上述目的的技术方案是：

本发明之一的一种基于脉宽调制的跟踪滤波电路，包括双二次环带通滤波电路，该双二次环带通滤波电路包括第一、第二和第三运算放大器，其中，

所述第一运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间接有一第一电容，其反相输入端与所述第三运算放大器的输出端之间连接有一第一电阻，其输出端通过依次串联的第三、第四电阻接收外部输入信号；

所述第二运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间接有相互并联第二电容和第二电阻，其反相输入端连接所述第三、第四电阻相接的一端，其输出端通过一第五电阻连接所述第三运算放大器的反相输入端；

所述第三运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端和其输出端之间接有一第六电阻；

所述跟踪滤波电路还包括第一、第二和第三模拟电子开关，所述第一、第二和第三模拟电子开关均接收同一控制端输出的脉宽调制信号，其中：

所述第一模拟电子开关串接于所述第一电阻所在的支路上；

所述第二模拟电子开关连接在所述第三电阻与所述第二运算放大器的反相输入端之间；

所述第三模拟电子开关串接于所述第四电阻所在的支路上。

上述的基于脉宽调制的跟踪滤波电路，其中，所述第二模拟电子开关的一端连接所述第二、第三电阻的相接端，另一端连接所述第二运算放大器的反相输入端。

上述的基于脉宽调制的跟踪滤波电路，其中，所述第二模拟电子开关的一端连接所述第三电阻，另一端连接所述第二运算放大器的反相输入端和所述第二电阻的相接端；所述跟踪滤波电路还包括一第四模拟电子开关，该第四模拟电子开关串接在所述第二电阻所在的支路上，且与所述第一、第二模拟电子开关均接收同一控制端输出的脉宽调制信号。

本发明之二的一种基于权利要求1的基于脉宽调制的跟踪滤波电路的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，选定参数n，且n≥100，确定全导通频率f_T和全导通角频率ω_T，其中全导通频率f_T决定了电路的工作范围；

步骤2，根据被积分信号频率f确定脉宽调制控制信号的周期T，其中的导通时间为T_T，

步骤3，确定各运算放大器的型号，按照使用的用途选择合适的运算放大器，其选用规则可采用通用的运算放大器选择规则，然后确定各电容值和各电阻值，使满足

其中：R₁、R₂、R₃和R₄分别为第一、第二、第三和第四电阻的阻值，C₁、C₂分别为第一、第二电容的值，Q为品质因数，A为中心频率处的放大倍数；

步骤4，根据积分信号角频率ω确定中心频率ω₀，ω₀＝ω；并按照

进行电路性能核算。

本发明的有益效果是：

1)本发明的跟踪滤波电路具有带通跟踪滤波功能，且该电路结构简单。

2)本发明的跟踪滤波电路具有成本低廉的特点。

3)本发明的跟踪滤波电路设计方法简单，只需普通运算放大器、电阻和电容即可完成电路设计，易于实现。

附图说明

图1是现有技术的双二次环带通滤波电路的电路图；

图2是本发明之一的基于脉宽调制的跟踪滤波电路的第一实施例的电路图；

图3是本发明之一的基于脉宽调制的跟踪滤波电路的第二实施例的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1、图2和图3，本发明之一的基于脉宽调制的跟踪滤波电路，包括双二次环带通滤波电路，该双二次环带通滤波电路包括第一、第二和第三运算放大器1、2、3，其中，

第一运算放大器1，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间接有一第一电容C₁，其反相输入端与第三运算放大器3的输出端之间连接有第一电阻R₁，其输出端通过依次串联的第三、第四电阻R₃、R₄接收外部输入信号；

第二运算放大器2，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间接有相互并联第二电容C₂和第二电阻R₂，其反相输入端连接第三、第四电阻R₃、R₄相接的一端，其输出端通过第五电阻R₅连接第三运算放大器3的反相输入端；

第三运算放大器3，其同相输入端接地，其反相输入端和其输出端之间接有第六电阻R₆，第五电阻R₅和第六电阻R₆的阻值相等，第三运算放大器3的输出端作为所述跟踪滤波电路的输出端。

所述跟踪滤波电路还包括第一、第二和第三模拟电子开关S1、S2、S3，第一、第二和第三模拟电子开关S1、S2、S3均接收同一控制端C输出的脉宽调制信号，其中：

第一模拟电子开关S1串接于第一电阻R₁所在的支路上；

第二模拟电子开关S2连接在第三电阻R₃与第二运算放大器2的反相输入端之间；

第三模拟电子开关S3串接于第四电阻R₄所在的支路上。

参见图2，为本发明之一的第一实施例，本实施例中，第二模拟电子开关S2的一端连接第二、第三电阻R₂、R₃的相接端，另一端连接第二运算放大器2的反相输入端。

参见图3，为本发明之一的第二实施例，本实施例中，第二模拟电子开关S2的一端连接第三电阻R₃，另一端连接第二运算放大器2的反相输入端和第二电阻R₂的相接端；此时，所述跟踪滤波电路还包括第四模拟电子开关S4，该第四模拟电子开关S4串接在第二电阻R₂所在的支路上，且与第一、第二和第三模拟电子开关S1、S2、S3一样均接收同一控制端C输出的脉宽调制信号。

本发明中，假定在控制端C接逻辑高电平，则各模拟电子开关(S1-S4)闭合；而在控制端C接逻辑低电平，则各模拟电子开关(S1-S4)断开。

本发明之二的一种基于脉宽调制的跟踪滤波电路的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，选定参数n，且n≥100，确定全导通频率f_T和全导通角频率ω_T，其中全导通频率f_T决定了电路的工作范围；

步骤2，根据被积分信号频率f确定脉宽调制控制信号的周期T，

其中的导通时间为T_T，

步骤3，确定各运算放大器的型号，按照使用的用途选择合适的运算放大器，其选用规则可采用通用的运算放大器选择规则，然后确定各电容值和各电阻值，使满足

其中：R₁、R₂、R₃和R₄分别为第一、第二、第三和第四电阻的阻值，C₁、C₂分别为第一、第二电容的值，Q为品质因数，A为中心频率处的放大倍数；

步骤4，根据积分信号角频率ω确定中心频率ω₀，ω₀＝ω；并按照

进行电路性能核算。

本发明的工作原理：

以第一实施例为例，本发明通过在控制端C输入合适的脉宽调制信号，控制第一、第二和第三模拟电子开关S1、S2、S3的通断，等效地改变第一、第二、第三和第四电阻R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值，从而改变电路的输入输出特性。如图2所示，在控制端C输入周期为T的控制信号，在一个周期中开关闭合的时间为T_T，T_T为根据需要而设计的固定值，则在周期T内第一电阻R₁的等效平均值为

式(1)中，T_T为开关控制导通时间，为固定值；T为开关控制信号的周期。为使得在一个周期T内第一电阻R₁的等效值尽量恒定，可取开关控制信号的频率为被积分信号频率的n倍，根据试验结果，一般取n≥100，则有

式(2)中，f为被积分信号频率，ω为被积分信号角频率，f_T、ω_T分别称为全导通频率、全导通角频率，为固定值。显然，当被积分信号频率f为f_T时，R_1e即为R₁。

类似地，R₂、R₃、R₄的等效平均值为

由上面分析可得图2电路的输入输出特性为

由式(4)可知，图2电路具有带通特性，且中心频率为

品质因数为

中心频率处的放大倍数为

如果取

则有中心频率、品质因数、中心频率处的放大倍数分别为

由式(8)可知，图2电路的带通中心频率处的放大倍数A与品质因素Q不随被积分信号频率f发生变化，为固定值，因此图2电路具有带通跟踪滤波的功能。

下面将举例说明本发明之二的设计方法：

试采用本发明电路设计能在10kHz以下工作的带通积分电路，设计指标为：中心频率随被处理信号频率变化，品质因数为10，中心频率处的放大倍数为1。

设计：(1)取f_T＝10kHz，n＝100，则

脉宽调制控制信号的导通宽度为1μs，为固定值。

(2)选定运算放大器为AD711，取C₁＝C₂＝0.01μF，由

可取R₁＝R₃＝1.592kΩ，取1％精密电阻标称值1.58k。由Q＝10，R₂＝15.92kΩ。由A＝1，取R₄＝1.592kΩ，取1％精密电阻标称值15.8k。

(3)脉宽调制控制信号的周期

例如，要对1kHz的正弦波进行积分运算，则脉宽调制控制信号的周期为10μs。

(4)按照式(8)计算，所设计电路满足要求。

根据本发明的设计方法选定元器件参数后，可直接按照图2进行实施，还可采用与图2类似的电路形式，即与电阻串接的开关的位置可以适当变化，即本发明之一的跟踪滤波电路的第二实施例，如图3所示。

本发明所涉及的模拟电子控制开关的控制信号可采用通用的电路硬件来实现，也可采用微处理器通过软件编程的方法来实施。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (4)

1.一种基于脉宽调制的跟踪滤波电路，包括双二次环带通滤波电路，该双二次环带通滤波电路包括第一、第二和第三运算放大器，其中，

所述第一运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间接有一第一电容，其反相输入端与所述第三运算放大器的输出端之间连接有一第一电阻，其输出端通过依次串联的第三、第四电阻接收外部输入信号；

所述第二运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间接有相互并联第二电容和第二电阻，其反相输入端连接所述第三、第四电阻相接的一端，其输出端通过一第五电阻连接所述第三运算放大器的反相输入端；

所述第三运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端和其输出端之间接有一第六电阻；

其特征在于，所述跟踪滤波电路还包括第一、第二和第三模拟电子开关，所述第一、第二和第三模拟电子开关均接收同一控制端输出的脉宽调制信号，其中：

所述第一模拟电子开关串接于所述第一电阻所在的支路上；

所述第二模拟电子开关连接在所述第三电阻与所述第二运算放大器的反相输入端之间；

所述第三模拟电子开关串接于所述第四电阻所在的支路上。

2.根据权利要求1所述的基于脉宽调制的跟踪滤波电路，其特征在于，所述第二模拟电子开关的一端连接所述第二、第三电阻的相接端，另一端连接所述第二运算放大器的反相输入端。

3.根据权利要求1所述的基于脉宽调制的跟踪滤波电路，其特征在于，所述第二模拟电子开关的一端连接所述第三电阻，另一端连接所述第二运算放大器的反相输入端和所述第二电阻的相接端；所述跟踪滤波电路还包括一第四模拟电子开关，该第四模拟电子开关串接在所述第二电阻所在的支路上，且与所述第一、第二模拟电子开关均接收同一控制端输出的脉宽调制信号。

4.一种如权利要求1所述的基于脉宽调制的跟踪滤波电路的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选定参数n，且n≥100,确定全导通频率f_T和全导通角频率ω_T，其中全导通频率f_T决定了电路的工作范围；

步骤2，根据被积分信号频率f确定脉宽调制控制信号的周期T，

其中的导通时间为T_T，

步骤3，确定各运算放大器的型号，按照使用的用途选择合适的运算放大器，其选用规则可采用通用的运算放大器选择规则，然后确定各电容值和各电阻值，使满足

其中：R₁、R₂、R₃和R₄分别为第一、第二、第三和第四电阻的阻值，C₁、C₂分别为第一、第二电容的值，Q为品质因数，A为中心频率处的放大倍数；

步骤4，根据积分信号角频率ω确定中心频率-₀，-₀=ω；并按照

进行电路性能核算。

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