CN1037651C - 可调频率和q的非对称有源陷波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物信号放大器和精密放大器所用的有源陷波器，它在负反馈放大器IC₁的同相输入端和负反馈放大器IC₂的输出端之间接有由电容C₁、C₂、C₃，电阻R₁、R′₂、、R′₃、R_V1组成的非对称阻容网络，其中C₁、C₂、C₃串接后与R并接，且该串接支路中两中点连接点分别通过R′₂和R′₃接可调电位器R_V1。在IC₁的输出和陷波输入信号地端之间接有可调电位器R_V2，R_V2的调节中端接IC₂的同相输入端。

Description

可调频率和Q的非对称有源陷波器

本发明涉及一种电子电路中的有源陷波器，特别是生物信号放大器和精密放大器所用的有源陷波器。

目前广泛采用的有源陷波器多为对称性双T阻容有源陷波器，其理论计算和设计都比较成熟，但这类陷波器对称性要求高，元器件精度要求严，否则直接影响陷波频率和Q值，因此对制作工艺或挑选元器件带来困难，更大的问题是中心频率一旦设定后，不能移动和调整，从而限制或影响实际使用效果，因为实际使用时市电频率往往有偏差，而且干扰强度也随使用环境不同而变化。如在生物医学领域，生物信号尤其是生物电信号其特点主要有三个：一是频率主要集中于低频段100HZ范围内；二是信号微弱一般在10^-3-10^-6V或更小；三是信号的源阻抗高，易于受到外界信号干扰，特别是在此频率段内存在强烈干扰源--50或60HZ市电电网信号影响。在这种情况下几乎所有生物信号放大装置尽管采用低噪声前置放大和提高共模抑制比的多种方法或在精密生物信号放大装置中采用嵌入陷波器的方法都往往在不同环境中实际测量时，不能完全消除市电电源信号的干扰，不能达到正常测量的目的。

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种使用范围广，能有效消除市电电源信号干扰或其它特定频率信号干扰的可调频率和Q的非对称有源陷波器。

本发明的技术解决方案：

一种可调频率和Q的非对称有源陷波器，它包括有两个负反馈运算放大器IC₁、IC₂，其特征在于在IC₁的同相输入端和IC₂的输出端之间接有由电容C₁、C₂、C₃，电阻R₁、R′₂、  R′₃和可调电位器R_V1组成的非对称阻容网络，其电容C₁、C₂、C₃串接一起与电阻R₁并接，该并接电路的一端接所要陷波处理的信号V_i，其另一端接IC₁的同相输入端，C₁、C₂、C₃串接支路的两中点连接点分别与R′₂、R′₃的一端连接，R′₂、R′₃的另一端接可调电位器R_V1，R_V1的调节中端与IC₂的输出连接，在IC₁的输出端和信号V_i的地端之间接有可调电位器R_V2，R_V2的调节中端接IC₂的同相输入端，陷波后的输出信号V₀从IC₁的输出端输出。

本发明通过大量理论计算和实际测试，首次将非对称阻容网络与负反馈放大器组成非对称有源陷波器，实现用单一电位器调整陷波器的中心频率，用调整负反馈的方法改变品质因数Q，故能针对干扰源频率和干扰强度进行选择和调整，达到高精度的陷波效果。本发明线路简单，生产容易，能降低对元器件的精度要求，而陷波效果十分理想，使用范围增大，可广泛适用于生物信号放大器和其它精密放大器中，能有效地消除市网电源信号和其它特定频率信号的干扰，将对生物信息测量技术改进和提高具有重要意义。

图1是本发明的电原理图；

图2是本发明网络传递函数幅频响应曲线示意图；

图3是本发明网络传递函数相频响应曲线示意图；

图4是本发明中心频率与R_V1调整系数K₁的变化曲线示意图；

图5是本发明Q值随电压反馈系数K的变化曲线示意图。

图1中电阻R₄、R₅是R_V1的由调节中端分开的两个电阻。电阻R₅、R₇是R_V2的由调节中端分开的两个电阻。假设图1中的运算放大器IC₁、IC₂(型号可为LH0062)为理想放大器，利用基尔霍夫定律和H参数分析计算，其网络传递函数方： $A_{\left(s\right)}=\frac{1+3R_2{R}_3{C}^2{S}^2+2(R_2+R_3)\mathrm{CS}+R_1{R}_2{R}_3{C}^3{S}^3}{1+\[3R_2{R}_3+R_1(2R_2+R_3)(1-K)\]C^2{S}^2+\[2(R_2+R_3)+R_1(1-K)\]\mathrm{CS}+R_1{R}_2{R}_3{C}^3{S}^3}$

其中R₂＝R′₂+R₄    R₃＝R′₃+R₅  C＝C₁＝C₂＝C₃

对于实际的频率，可方便的设计为R₁＝2(2R₂+2R₃)则传递函数的幅频特性和相频特性为： $\left|A_{\left(\mathrm{\ω}\right)}\right|=\left|\sqrt{\frac{{\[1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}\]}^2+{\[R_b{R}_c\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}(1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2})\]}^2}{{\[1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}-R_a{R}_E{R}_c\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}\]}^2+{\[R_b{R}_c\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}(1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2})+R_E\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\]}^2}}\right|$

其中 ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{2R_2+2R_3}{R_1{R}_2{R}_3{C}^2}}=\sqrt{\frac{1}{3R_2{R}_3{C}^2}}$ $R_c=\sqrt{\frac{2R_2+2R_3}{R_1{R}_2{R}_3}}$

R₆＝2R₂十2R₃

R_a＝2R₂+R₃

R_E＝R₁R_C(I-K)

由幅频特性公式看出在ω＝ω₀，即谐振状态时，｜A_(ω)｜＝0，此时网络输出电压V₀＝0；当ω远离ω₀时，｜A_(ω)｜趋近于1，其Q值是由K和相关阻容参数决定的较复杂的函数，恕未列出。Q值的大小将随反馈电压系数K增高而变大。由相频特性公式看出_(ω)在频率 $\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}=\frac{1}{1+R_a{R}_E{R}_c}$ 时发生跳变。

陷波器中心频率由R_V1调整决定，可表达为： ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{1}{3C^{2(R_2^{\′}+K_1{R}_{V1})}\[R_3^{\′}+(1-K_1)R_{V1}\]}}$ 其中： 则ω₀的可调范围为ω_0min～ω_0max，即 $\mathrm{\ω}O\min =\sqrt{\frac{1}{3R_3^{\′}(R_2^{\′}+R_{V1})C^2}}$ $\mathrm{\ω}O\max =\sqrt{\frac{1}{3R_2^{\′}(R_3^{\′}+R_{V1})C^2}}$

下面以生物电信息测量装置为例，其线路参数的选取是针对市网电源信号的陷波，取参数为：

R₁＝1MΩ，R′₂＝6，2KΩ，R′₃＝150KΩ，

R_V1＝11KΩ，R_V2＝10KΩ，C＝0.047μF

得出网络传递函数的幅频特性｜A_(ω)｜和相频特性_(ω)与 的关系曲线分别如图2和图3所示。

其调整R_V1可改变陷波器中心频率的情况和调整R_V2改变陷波器Q值的情况分别如图4和图5所示。

由测试结果知，ω₀为陷波器的中心频率，ω＝ω₀时，发生谐振，选用此阻容参数，调整R_V1可使中心频率f₀在38.5-61.9HZ间变化，从而适用当前50Hz和60HZ的所有市网电源信号的陷波，即同样适用于国外市网电源信号的陷波。例如K₁＝0.32，r₀＝50HZ，K₁＝0.04，f₀＝6OHZ。

由相频响应曲线看出，在中心频率f₀时，相位连续变化而不发生跳变，因此可获得较高的Q值且不产生自激振荡，例如，K＝0.9，Q＝32，在K＝0.95时，Q值可高达64。这比对称性双T有源陷波器更具优越性。

Claims (1)

1.一种可调频率和Q的非对称有源陷波器，它包括有两个负反馈运算放大器IC₁、IC₂，其特征在于在IC₁的同相输入端和IC₂的输出端之间接有由电容C₁、C₂、C₃，电阻R₁、R₂、R₃和可调电位器R_V1组成的非对称阻容网络，其电容C₁、C₂、C₃串接一起与电阻R₁并接，该并接电路的一端接所要陷波处理的信号V_i，其另一端接IC₁的同相输入端，C₁、C₂、C₃串接支路的两中点连接点分别与R′₂、R′₃的一端连接，R′₂、R′₃的另一端接可调电位器R_V1，R_V1的调节中端与IC₂的输出连接，在IC₁的输出端和信号V₁的地端之间接有可调电位器R_V2，R_V2的调节中端接IC₂的同相输入端，陷波后的输出信号V₀从IC₁的输出端输出。

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