CN103780222A - 中心频率可调节的石英晶体窄带滤波电路 - Google Patents

中心频率可调节的石英晶体窄带滤波电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中心频率可调节的石英晶体窄带滤波电路，前置放大电路的输出端与乘法电路的一个输入端相连，参考信号产生电路的输出端与乘法电路的另一个输入端相连，乘法电路输出端与多级晶体滤波电路的输入端相连，最终信号由多级晶体滤波电路的输出端输出；参考信号产生电路包括直接数字频率合成电路和微控制器电路，通过微控制器调节直接数字频率合成电路产生所需频率及幅度的参考信号输送到乘法电路与待检测信号运算，使待检测信号频率变为多级晶体滤波电路的中心频率，通过调整本地参考信号可以检测不同频率的输入信号，尤其是低频信号的检测；多级晶体滤波电路采用石英晶体谐振器能够实现窄带滤波的效果，适合低频微弱信号的检测。

Description

中心频率可调节的石英晶体窄带滤波电路
技术领域
本发明涉及一种窄带滤波电路，特别涉及一种中心频率可调节的石英晶体窄带滤波电路。
背景技术
在地下管线探测，超声波测距，无线通信等许多应用场合，都需要检测微弱信号，而微弱信号的检测往往需要一个高选择性，易于实现的窄带滤波，传统的RC和LC滤波电路很难达到这样的要求。目前微弱信号检测比较常用的方法是采用锁相环滤波，虽然可满足滤波器的要求，但由于锁相环（PLL）滤波实现复杂，成本高，并不适合一些简单和严格控制成本的应用场合。另一种方法则是采用由石英晶体谐振器构成的晶体滤波器，由于石英晶体谐振器具有很高的品质因数，因此，由它构成的石英晶体滤波器具有很高的频率选择性和十分陡峭的阻带衰减特性。同时石英晶体滤波器还具有设计和实现简单，成本低的优点。
但是目前市面上存在的石英晶体滤波器存在以下缺陷：当构建石英晶体滤波器所选择使用的石英晶体谐振器确定后，则滤波器的中心频率固定为石英晶体谐振器的谐振频率，不能对多种不同频率的信号进行滤波选择，缺乏灵活性。并且，大部分应用集中于兆赫兹以上的频率范围，很少应用于低频信号的滤波处理。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种中心频率可调节的石英晶体窄带滤波电路，非常适合低频微弱信号的检测。
为达到上述目的，本发明采用的解决方案是：
中心频率可调节的石英晶体窄带滤波电路，包括前置放大电路，参考信号产生电路，乘法电路，以及多级晶体滤波电路，前置放大电路的输出端与乘法电路的一个输入端相连，参考信号产生电路的输出端与乘法电路的另一个输入端相连，乘法电路输出端与多级晶体滤波电路的输入端相连，最终信号由多级晶体滤波电路的输出端输出；所述参考信号产生电路包括直接数字频率合成电路和微控制器电路，微控制器电路与直接数字频率合成电路相连接，控制直接数字频率合成电路产生所需频率及幅度的参考信号输送到乘法电路。
所述多级晶体滤波电路由三级中心频率相同的石英晶体滤波电路组成，第一级石英晶体滤波器电路采用差分结构，第二级石英晶体滤波器电路和第三级石英晶体滤波器电路采用同相输入结构；乘法器电路的两个输出端分别连接第一级石英晶体滤波器电路的两个输入端，第一级石英晶体滤波器电路的输出端连接第二级石英晶体滤波器电路的输入端，第二级石英晶体滤波器电路的输出端连接第三级石英晶体滤波器电路的输入端。
所述第一级石英晶体滤波器电路包括运算放大器U1，乘法器电路的一路输出端依次连接电容C11和石英晶体谐振器Y11后连接运算放大器U1的同相输入端，运算放大器U1同相输入端连接电阻R11后接地，乘法器电路的另一路输出端依次连接电容C11和石英晶体谐振器Y11后连接运算放大器的反相输入端，运算放大器反相输入端与输出端之间连接有电阻R12。
所述第二级石英晶体滤波器电路包括运算放大器U2，第一级石英晶体滤波器电路的输出端依次连接电容C21和石英晶体谐振器Y21后与运算放大器U2的同相输入端连接，运算放大器U2同相输入端连接电阻R21后接地，运算放大器U2反相输入端连接电阻R22一端和电阻R23一端，电阻R22另一端接地，电阻R23另一端与运算放大器U2输出端连接；所述第三级石英晶体滤波器电路和第二级石英晶体滤波器电路结构相同。
所述运算放大器采用AD8032，直接数字频率合成电路DDS芯片采用AD9833，微控制器采用C8051F020，乘法电路采用乘法器芯片SA612A。
所述石英晶体谐振器均使用标称频率为32.768KHz的普通石英晶体谐振器。
本发明的有益效果是：
待检测信号经过前置放大电路放大后输入至乘法电路，乘法电路将放大后的待检测信号与参考信号产生电路所产生的本地参考信号进行乘法运算，将待检测信号变频至一个固定频率，该固定频率与后级石英晶体谐振器的中心频率相当，变频后的待检测信号经多级晶体滤波电路处理后得到所需信号。
所述参考信号产生电路包括直接数字频率合成电路和微控制器电路，通过微控制器调节直接数字频率合成电路产生所需频率及幅度的参考信号输送到乘法电路与待检测信号运算，使待检测信号频率变为多级晶体滤波电路的中心频率，然后经滤波后得到所需信号，通过调整本地参考信号可以检测不同频率的输入信号，尤其是低频信号的检测；多级晶体滤波电路采用石英晶体谐振器能够实现窄带滤波的效果，同时运算放大器还具有放大信号的作用，适合低频微弱信号的检测。整个电路的设计和实现简单，成本低，一致性好。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
图2是本发明的应用实例针对不同滤波器中心频率的幅频响应曲线图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明方案：
中心频率可调节的石英晶体窄带滤波电路，电路原理框图如图1所示，包括前置放大电路1，参考信号产生电路2，乘法电路3，以及多级晶体滤波电路4，乘法电路3的一个输入端与前置放大电路1的输出相连，乘法电路3的另一个输入端则与参考信号产生电路2的输出端相连，乘法电路3的输出端则连接到多级晶体滤波电路4的输入端，最终所需的信号由多级晶体滤波电路4的输出端得到。
其中参考信号产生电路2又包括两个子电路，分别为直接数字频率合成（DDS）电路2-1和微控制器（MCU）电路2-2。微控制器(MCU)电路2-2与直接数字频率合成（DDS）电路2-1相连接，控制直接数字频率合成（DDS）电路2-1产生参考信号所需的频率以及幅度。
多级晶体滤波电路4则由三级石英晶体滤波电路组成，三级石英晶体滤波电路中心频率相同，第一级石英晶体滤波器电路4-1采用差分结构，第二级石英晶体滤波器电路4-2和第三级石英晶体滤波器电路4-3则采用同相输入结构。乘法器电路3的两路输出端分别接到第一级石英晶体滤波器电路4-1的两个输入端，第一级石英晶体滤波器电路4-1的输出端接到第二级石英晶体滤波器电路4-2的输入端，第二级石英晶体滤波器电路4-2的输出端接到第三级石英晶体滤波器电路4-3的输入端。
第一级石英晶体滤波器电路4-1中，包含电阻，电容和运算放大器。乘法器电路3的一路输出端x1+(t)接到电容C11的一端，电容C11的另一端则接石英晶体谐振器Y11的一端，石英晶体谐振器Y11的另一端接运算放大器U1的同相输入端并和电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端则接地。乘法器电路3的另一路输出端x1-(t)连接到电容C12的一端，电容C12的另一端接到石英晶体谐振器Y12的一端，石英晶体谐振器Y12的另一端接运算放大器U1的反相输入端并和电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端接运算放大器U1的输出端。乘法电路输出的两路信号是反相(即两信号相位相差180°)，其两路输出端可以分别任意与运算放大器U1的同相输入端或反相输入端连接。
第二级石英晶体滤波器电路4-2中，包含电阻，电容和运算放大器。第一级石英晶体滤波器电路4-1的输出端接到电容C21的一端，电容C21的另一端则接石英晶体谐振器Y21的一端，石英晶体谐振器Y21的另一端接运算放大器U2的同相输入端并和电阻R21的一端相连，电阻R21的另一端则接地。运算放大器的反相输入端与电阻R22的一端相连，并和电阻R23的一端相连，电阻R22的另一端与地相连，电阻R23的另一端接运算放大器U2的输出端。
第三级石英晶体滤波器电路4-3的结构和第二级石英晶体滤波器电路4-2的结构一致，第二级石英晶体滤波器电路4-2的输出端接到电容C31的一端，电容C31的另一端则接石英晶体谐振器Y31的一端，石英晶体谐振器Y31的另一端接运算放大器U3的同相输入端并和电阻R31的一端相连，电阻R31的另一端则接地。运算放大器的反相输入端与电阻R32的一端相连，并和电阻R33的一端相连，电阻R32的另一端与地相连，电阻R33的另一端接运算放大器U3的输出端。
前置放大电路1包括运算放大器U4，运算放大器U4同相输入端作为放大电路的输入端，并连接电阻R1后接地，运算放大器U4的反相输入端与电阻R2的一端相连，并和电阻R3的一端相连，电阻R2的另一端与地相连，电阻R3的另一端接运算放大器U4的输出端。
本发明的工作原理如下：
待检测信号经过前置放大电路1放大后输入至乘法电路3的一个输入端，乘法电路3的另一个输入端则接参考信号产生电路2的输出端。乘法电路3将放大后的待检测信号与参考信号产生电路2所产生的本地参考信号进行乘法运算，将待检测信号变频至一个固定频率，该固定频率与后级石英晶体谐振器的中心频率相当，乘法电路3的输出经多级晶体滤波电路4处理后得到所需信号。
其中前置放大电路1由低噪声运算放大器构成，采用同相比例放大，将输入的待检测信号放大至后级乘法电路3所需电平。这种电路结构能够降低反馈电路的电阻值，从而降低电阻热噪声，并且能够提高输入阻抗值，适合低噪声的应用。R1决定输入阻抗的电阻，R2和R3决定放大倍数。
参考信号产生电路2包含直接数字频率合成（DDS）电路2-1和微控制器（MCU）电路2-2。微控制器（MCU）电路2-2控制直接数字频率合成（DDS）电路2-1产生所需频率和幅度的本地参考信号。直接数字频率合成（DDS）电路2-1采用DDS芯片实现，由于DDS芯片的频率调节精度很高，因此非常适合。当待检测信号的频率发生改变时，由微控制器控制DDS产生所需频率的参考信号，使滤波器的中心频率发生改变。参考信号产生电路2所产生的本地参考信号频率Fref和待检测信号的频率Fsig以及多级晶体滤波器电路4中所使用的石英晶体谐振器的谐振频率Fcrystal必须满足：Fref=Fsig+Fcrystal。
乘法电路3将前置放大电路1放大后的待检测信号（频率：Fsig）与参考信号产生电路2所产生的本地参考信号（频率：Fref）进行乘法运算。产生两个输出结果：一个频率为Fref-Fsig的信号；另一个频率为Fref-Fsig但相位与前一个反相的信号。
多级晶体滤波电路4由三级石英晶体滤波电路组成，其中所使用的运算放大器均为低噪声运算放大器，所有的石英晶体谐振器需谐振频率一致。多级石英晶体滤波能够很好的滤除干扰和噪声，对有用信号进行放大，实现窄带滤波效果。
第一级石英晶体滤波电路4-1采用差分结构，能够很好的滤除共模干扰。乘法电路3的一路输出端经过电容C11，石英晶体谐振器Y11输入到运算放大器U1的同相输入端，乘法电路3的另一路输出经过电容C12，石英晶体谐振器Y12到运算放大器U1的反相输入端。电容C11和C12起隔直作用，同时可对石英晶体谐振器的谐振频率进行微调。石英晶体谐振器Y11，Y12进行选择频率，实现窄带滤波。电阻R11和R12需阻值相等，第一级晶体滤波电路4-1的放大倍数为：R11/Zx，Zx为石英晶体谐振器的谐振阻抗。
第二级石英晶体滤波电路4-2采用同相输入结构，经第一级石英晶体滤波电路4-1滤波处理后的信号输入到第二级石英晶体滤波电路4-2，电容C21为隔直电容，同时起到对石英晶体谐振器Y21的谐振频率进行微调的作用，石英晶体谐振器Y21用来选择频率。第二级晶体滤波电路4-2的放大倍数为：
Figure BDA0000453138710000081
Zx为石英晶体谐振器的谐振阻抗。
第三级石英晶体谐振器电路4-3的分析与第二级石英晶体滤波电路4-2相同，第三级晶体滤波电路4-3的放大倍数为：
Figure BDA0000453138710000082
Zx为石英晶体谐振器的谐振阻抗。
本发明的滤波电路，所有的运算放大器均采用AD8032，DDS芯片采用AD9833，微控制器采用C8051F020，乘法器芯片采用SA612A，所有的石英晶体谐振器均使用标称频率为32.768KHz的普通石英晶体谐振器。
对图1示电路进行测试，设置不同的滤波器中心频率时（20Hz，1KHz，10KHz，100KHz），对电路的频率特性进行测试，所绘制的幅频特性曲线如图2示。图2，横坐标：ΔF＝(f-fc)，其中fc表示所设置的滤波器中心频率，f表示实际输入频率。纵坐标：其中Vout(fc)表示中心频率fc对应的输出幅度，Vout(f)表示频率f对应的输出幅度。
由图2可以看出，3db带宽为0.84Hz，20db和40db带宽分别为2.73Hz和5.00Hz，滤波器具有很好的频率选择性。同时，带宽独立于设置的中心频率，即针对不同的中心频率一致性好。

Claims (6)

1.中心频率可调节的石英晶体窄带滤波电路，其特征在于，包括前置放大电路（1），参考信号产生电路（2），乘法电路（3），以及多级晶体滤波电路（4），前置放大电路（1）的输出端与乘法电路（3）的一个输入端相连，参考信号产生电路（2）的输出端与乘法电路（3）的另一个输入端相连，乘法电路（3）输出端与多级晶体滤波电路（4）的输入端相连，最终信号由多级晶体滤波电路（4）的输出端输出；所述参考信号产生电路（2）包括直接数字频率合成电路（2-1）和微控制器电路（2-2），微控制器电路（2-2）与直接数字频率合成电路（2-1）相连接，控制直接数字频率合成电路（2-1）产生所需频率及幅度的参考信号输送到乘法电路（3）。
2.根据权利要求1所述的滤波电路，其特征在于，所述多级晶体滤波电路（4）由三级中心频率相同的石英晶体滤波电路组成，第一级石英晶体滤波器电路（4-1）采用差分结构，第二级石英晶体滤波器电路（4-2）和第三级石英晶体滤波器电路（4-3）采用同相输入结构；乘法器电路（3）的两个输出端分别连接第一级石英晶体滤波器电路（4-1）的两个输入端，第一级石英晶体滤波器电路（4-1）的输出端连接第二级石英晶体滤波器电路（4-2）的输入端，第二级石英晶体滤波器电路（4-2）的输出端连接第三级石英晶体滤波器电路（4-3）的输入端。
3.根据权利要求2所述的滤波电路，其特征在于，所述第一级石英晶体滤波器电路（4-1）包括运算放大器U1，乘法器电路（3）的一路输出端依次连接电容C11和石英晶体谐振器Y11后连接运算放大器U1的同相输入端，运算放大器U1同相输入端连接电阻R11后接地，乘法器电路（3）的另一路输出端依次连接电容C11和石英晶体谐振器Y11后连接运算放大器（U1）的反相输入端，运算放大器（U1）反相输入端与输出端之间连接有电阻R12。
4.根据权利要求2所述的滤波电路，其特征在于，所述第二级石英晶体滤波器电路（4-2）包括运算放大器U2，第一级石英晶体滤波器电路（4-1）的输出端依次连接电容C21和石英晶体谐振器Y21后与运算放大器U2的同相输入端连接，运算放大器U2同相输入端连接电阻R21后接地，运算放大器U2反相输入端连接电阻R22一端和电阻R23一端，电阻R22另一端接地，电阻R23另一端与运算放大器U2输出端连接；所述第三级石英晶体滤波器电路（4-3）和第二级石英晶体滤波器电路（4-2）结构相同。
5.根据权利要求3或4所述的滤波电路，其特征在于，所述运算放大器采用AD8032，直接数字频率合成电路（2-1）DDS芯片采用AD9833，微控制器采用C8051F020，乘法电路（3）采用乘法器芯片SA612A。
6.根据权利要求3或4所述的滤波电路，其特征在于，所述石英晶体谐振器均使用标称频率为32.768KHz的普通石英晶体谐振器。
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