CN104639095B - 一种变参数无漂移有源低通滤波器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变参数无漂移有源低通滤波器电路，包括无漂移有源低通滤波器基本节电路、输入信号变化检测电路、脉冲定时电路、模拟开关电路。所述的无漂移有源低通滤波器基本节电路是该滤波电路的主体电路，它的运算放大器的直流失调与直流漂移与主信道之间被电容隔离，具有信道无漂移特性；所述的输入信号变化检测电路用来检测输入信号是否快速发生变化；所述的脉冲定时电路，将输入信号接至单稳态触发器的脉冲端，调节输出脉冲宽度，从而在这段时间内改变滤波器的参数值；所述的模拟开关电路，在特定时间段内，接通并联的电阻，从而达到参数变参数的效果，提高滤波器的响应速度，实验表明，该电路能够为实际应用提出可供参考的理论和技术。

Description

一种变参数无漂移有源低通滤波器电路

技术领域

本发明涉及一种变参数无漂移有源低通滤波器电路，属于模拟滤波器技术领域。

背景技术

在现代信息处理领域中，滤波器技术占据举足轻重的地位，滤波器技术作为一门学科发展到现在，基础理论和方法都趋于成熟，在通信、测量、仪器仪表等领域被广泛使用。

滤波器经历了从模拟到数字又到模拟的发展过程。模拟技术有着悠久的历史、完整的理论和方法，是研究数字滤波器的基础，数字滤波器所表达的网络特性源自模拟滤波器，常用的一些设计方法也都借用了模拟滤波器的方法。低通滤波器是基础，通过相应的频率转换可以得到高通、带通、带阻滤波器，并且在科学与生产活动中，低频微弱信号承载了大量的基础信息，所以低通滤波器一直以来都是研究的重点。在直流通道中引入低通滤波器，是抑制噪声，尤其是工频噪声的有效方法。然而，无源RC滤波器只能实现极点在负实轴上且为单根的一类特殊传递函数，不能适应多样性的工程要求。因此，有源RC低通滤波器是目前研究最多的低频滤波系统。引入有源RC滤波器时，信道中会引入由有源部件产生的新的附加漂移，在海洋监测、地质勘查和生物医学等领域的低频微弱信号传感、检测系统和高精确度仪器仪表中，系统的灵敏度通常会达到uv甚至nv量级，这时的附加漂移是跟噪声一样严重的问题。

为了实现更好的滤波效果，在抑制噪声的同时，应尽量少的引入有源器件的附加漂移。此外，还需提高滤波器系统的响应速度。然而传统的设计方法主要是采用不同的逼近方法对频率特性要求进行逼近，得到恒定参数的滤波器。当滤波器的带宽固定时，无法缩短低通滤波器输出信号的上升时间，所以改变响应的过渡态需要改变滤波器的带宽，也就是需要改变滤波器的参数值。因此，针对传统滤波器进行改进，在无漂移有源低通滤波器的基础上提出了变参数滤波器的概念。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种变参数无漂移有源低通滤波器电路。

本发明抑制了由于有源器件引起的附加漂移，提高了滤波器的响应速度，保证系统的滤波特性。

本发明的技术方案为：

一种变参数无漂移有源低通滤波器电路，包括：无漂移有源低通滤波器基本节电路、输入信号变化检测电路、脉冲定时电路、模拟开关电路；所述无漂移有源低通滤波器基本节电路包括运算放大器和并联的电阻，所述运算放大器的直流失调、直流漂移与主信道之间被电容隔离；所述输入信号变化检测电路用来检测输入信号是否有快速变化；所述脉冲定时电路用于调节输出脉冲宽度，改变滤波器的参数值；所述模拟开关电路用于接通并联的电阻。

此处设计的优势在于，无漂移有源低通滤波器基本节电路为所述变参数无漂移有源低通滤波器电路的主体电路，无漂移有源低通滤波器基本节电路的运算放大器的直流失调与直流漂移与主信道之间被电容隔离，具有信道无漂移特性；模拟开关电路在特定时间段内接通并联的电阻，从而达到改变参数的效果，提高滤波器的响应速度。

根据本发明优选的，所述无漂移有源低通滤波器基本节电路包括无漂移有源低通滤波器二阶节电路及电阻R11、电阻R22，所述无漂移有源低通滤波器二阶节电路包括电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2及运算放大器u1；所述输入信号变化检测电路包括两个非门u2、u3及一个异或门u4；所述脉冲定时电路包括：单稳态触发器、电容C3、电阻R3；所述模拟开关电路包括模拟开关；

所述无漂移有源低通滤波器二阶节电路是现有的，具体电路图见图2。

所述无漂移有源低通滤波器基本节电路中，电阻R11一端连接主信道，电阻R1、电阻R11、模拟开关管脚2、模拟开关管脚3形成串联回路；运算放大器u1管脚2、模拟开关管脚14、模拟开关管脚15、电阻R22、运算放大器u1管脚6形成串联回路；

所述输入信号变化检测电路中，非门u2连接主信道，非门u2连接非门u3，异或门u4的两个输入端分别连接非门u3及主信道，异或门u4的输出端连接单稳态触发器的管脚5。

所述脉冲定时电路中，单稳态触发器的管脚10、电容C3、单稳态触发器的管脚11形成串联回路；单稳态触发器的管脚10、电容C3、电阻R3、单稳态触发器的管脚14形成串联回路；单稳态触发器的管脚14还连接高电平；单稳态触发器的管脚11、电阻R3、单稳态触发器的管脚14形成串联回路；单稳态触发器的管脚3、4、7接地；

所述模拟开关电路中，模拟开关管脚5接地，模拟开关管脚1、16分别连接单稳态触发器的管脚6。

此处设计的优势在于，无漂移有源低通滤波器基本节电路通过模拟开关并联了电阻R11与电阻R22，使滤波器的参数不再恒定，可以随着时间改变；当有输入信号快速发生变化时，产生宽度可调的脉冲信号，使模拟开关电路中的模拟开关在这段时间内处于闭合状态，从而调节滤波器的参数，达到滤波器参数随时间变化的目的；当模拟开关闭合时，电阻R11与电阻R1并联，电阻R22与电阻R2并联。因为滤波器的特征频率W₀这一参数与电阻R1、R2成反比，并联后电阻的值都变小，所以特征频率W₀变大，使滤波器的带宽变大，提高了滤波器的响应速度。参数的取值可以结合具体电路进行传递函数分析和实验来确定，使滤波器的响应速度和滤波特性达到综合最优。

根据本发明优选的，所述单稳态触发器管脚6输出时间T＝R3C3ln2的脉冲。

根据本发明优选的，所述无漂移有源低通滤波器基本节电路的传递函数H(s)如式(Ⅰ)

所示：H(s)＝H₀{1+SR1’(C1+C2)+S²R1’R2’C1C2}^-1 (Ⅰ)

式(Ⅰ)中，H₀＝1，R1’＝R1//R11，R2’＝R2//R22。

传递函数H(s)为网络的输出量的拉普拉斯变换与输入变量的拉普拉斯变换之比。

根据本发明优选的，所述单稳态触发器为单稳态触发器74121。

根据本发明优选的，C1＝C2，R2＝2R1。

此处设计的优势在于，简化了无漂移有源低通滤波器基本节电路的设计。

根据本发明优选的，R22＝2R11。

此处设计的优势在于，保持了无漂移有源低通滤波器基本节电路的品质因数不变。

根据本发明优选的，所述模拟开关为模拟开关ADG412。

本发明的有益效果为：

1、本发明所述无漂移有源低通滤波器基本节电路是该滤波电路的主体电路，它的运算放大器的直流失调与直流漂移与主信道之间被电容隔离，具有信道无漂移特性；所述输入信号变化检测电路用来检测输入信号是否有快速变化；所述脉冲定时电路，将输入信号接至单稳态触发器的脉冲端，调节输出脉冲宽度，从而在这段时间内改变滤波器的参数值；所述的模拟开关电路，在特定时间段内，接通并联的电阻，从而达到参数变参数的效果，提高滤波器的响应速度。

2、本发明通过无漂移有源低通滤波器基本节电路、输入信号变化检测电路、脉冲定时电路、模拟开关电路四部分电路的有效结合，组成变参数无漂移有源低通滤波器电路，该电路的设计有效可行，既具有低漂移特性，又可以随时间变化改变滤波器的参数来提高响应速度，是一种有效可行的模拟滤波器电路设计方案。

附图说明

图1是本发明所述变参数无漂移有源低通滤波器电路的结构图；

图2是无漂移有源低通滤波器二阶节电路的结构图；

图3是传统的二阶有源低通滤波器电路的结构图；

图4是二阶变参数无漂移有源低通滤波器电路的输入信号响应曲线；

图5是无漂移有源低通滤波器二阶节电路的输入信号响应曲线；

图6是二阶无漂移有源低通滤波器的附加漂移特性图；

图7是传统的二阶有源低通滤波器的附加漂移特性图；

图8是二阶无漂移有源低通滤波器的温度漂移特性图；

图9是传统的二阶有源低通滤波器器的温度漂移特性图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种变参数无漂移有源低通滤波器电路，包括：无漂移有源低通滤波器基本节电路、输入信号变化检测电路、脉冲定时电路、模拟开关电路；所述无漂移有源低通滤波器基本节电路包括运算放大器和并联的电阻，所述运算放大器的直流失调、直流漂移与主信道之间被电容隔离；所述输入信号变化检测电路用来检测输入信号是否有快速变化；所述脉冲定时电路用于调节输出脉冲宽度，改变滤波器的参数值；所述模拟开关电路用于接通并联的电阻。

此处设计的优势在于，无漂移有源低通滤波器基本节电路为所述变参数无漂移有源低通滤波器电路的主体电路，无漂移有源低通滤波器基本节电路的运算放大器的直流失调与直流漂移与主信道之间被电容隔离，具有信道无漂移特性；模拟开关电路在特定时间段内接通并联的电阻，从而达到改变参数的效果，提高滤波器的响应速度。

所述无漂移有源低通滤波器基本节电路包括无漂移有源低通滤波器二阶节电路及电阻R11、电阻R22，所述无漂移有源低通滤波器二阶节电路包括电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2及运算放大器u1；所述输入信号变化检测电路包括两个非门u2、u3及一个异或门u4；所述脉冲定时电路包括：单稳态触发器、电容C3、电阻R3；所述模拟开关电路包括模拟开关；

所述无漂移有源低通滤波器二阶节电路是现有的，具体电路图见图2。

所述无漂移有源低通滤波器基本节电路中，电阻R11一端连接主信道，电阻R1、电阻R11、模拟开关管脚2、模拟开关管脚3形成串联回路；运算放大器u1管脚2、模拟开关管脚14、模拟开关管脚15、电阻R22、运算放大器u1管脚6形成串联回路；

所述输入信号变化检测电路中，非门u2连接主信道，非门u2连接非门u3，异或门u4的两个输入端分别连接非门u3及主信道，异或门u4的输出端连接单稳态触发器的管脚5。

所述脉冲定时电路中，单稳态触发器的管脚10、电容C3、单稳态触发器的管脚11形成串联回路；单稳态触发器的管脚10、电容C3、电阻R3、单稳态触发器的管脚14形成串联回路；单稳态触发器的管脚14还连接高电平；单稳态触发器的管脚11、电阻R3、单稳态触发器的管脚14形成串联回路；单稳态触发器的管脚3、4、7接地；

所述模拟开关电路中，模拟开关管脚5接地，模拟开关管脚1、16分别连接单稳态触发器的管脚6。

此处设计的优势在于，无漂移有源低通滤波器基本节电路通过模拟开关并联了电阻R11与电阻R22，使滤波器的参数不再恒定，可以随着时间改变；当有输入信号快速发生变化时，产生宽度可调的脉冲信号，使模拟开关电路中的模拟开关在这段时间内处于闭合状态，从而调节滤波器的参数，达到滤波器参数随时间变化的目的；当模拟开关闭合时，电阻R11与电阻R1并联，电阻R22与电阻R2并联。因为滤波器的特征频率W₀这一参数与电阻R1、R2成反比，并联后电阻的值都变小，所以特征频率W₀变大，使滤波器的带宽变大，提高了滤波器的响应速度。参数的取值可以结合具体电路进行传递函数分析和实验来确定，使滤波器的响应速度和滤波特性达到综合最优。

所述单稳态触发器管脚6输出时间T＝R3C3ln2的脉冲。

所述无漂移有源低通滤波器基本节电路的传递函数H(s)如式(Ⅰ)所示：

H(s)＝H0{1+SR1’(C1+C2)+S2R1’R2’C1C2}-1 (Ⅰ)

式(Ⅰ)中，H0＝1，R1’＝R1//R11，R2’＝R2//R22。

传递函数H(s)为网络的输出量的拉普拉斯变换与输入变量的拉普拉斯变换之比。

实施例1所述变参数无漂移有源低通滤波器电路如图1所示。

现设计一种无漂移有源低通滤波器二阶节电路，无漂移有源低通滤波器二阶节电路结构是现有的，其中，R1＝100KΩ，R2＝200KΩ，C1＝C2＝93.8nF，无漂移有源低通滤波器二阶节电路中通带内具有最大平坦特性，且3dB边界频率为fc＝12Hz，如图2所示。

借助Multisim仿真工具，分别向所述二阶变参数无漂移有源低通滤波器电路(图1)及所述无漂移有源低通滤波器二阶节电路(图2)仿真5V输入信号。当5V输入信号通过所述所述二阶变参数无漂移有源低通滤波器电路(图1)时，电路响应时间为8.953ms，所述二阶变参数无漂移有源低通滤波器电路的输入信号响应曲线如图4所示；当5V输入信号通过所述无漂移有源低通滤波器二阶节电路(图2)时，电路响应时间为44.006ms，所述无漂移有源低通滤波器二阶节电路的输入信号响应曲线如图5所示；可见，通过脉冲定时电路(T＝28ms，时间可调节)和模拟开关电路(R11＝25KΩ，R22＝50KΩ)，信号响应速度显著提升，且具有良好的幅频特性。

另外，我们将滤波器的输入端接地，对二阶无漂移有源低通滤波器与传统的二阶有源低通滤波器进行了附加漂移特性分析比较和温度漂移特性分析比较，

所述二阶无漂移有源低通滤波器电路与所述传统的二阶有源低通滤波器电路(图3)都采用uA741运算放大器。

在附加漂移特性分析比较中，分别在所述二阶无漂移有源低通滤波器电路的运算放大器及所述传统的二阶有源低通滤波器电路的运算放大器的同相输入端输入幅度为10mv、频率为0.05Hz的信号，以模拟运算放大器的失调和漂移，在二阶无漂移有源低通滤波器及传统的二阶有源低通滤波器的输出端测得的附加漂移特性图分别如图6、图7所示。由PSPice仿真结果可见，所述二阶无漂移有源低通滤波器在主信道输出端几乎测不到漂移信号，而传统的二阶有源低通滤波器有明显的漂移信号，由此证实了所述二阶无漂移有源低通滤波器有效抑制了运算放大器失调和漂移的无漂移特性。

在温度漂移特性分析比较中，我们设定温度从-10℃均匀变化到40℃，以确定电子元器件的温度漂移对滤波器的影响，在二阶无漂移有源低通滤波器及传统的二阶有源低通滤波器的输出端测得的温度漂移特性图分别如图8、图9所示。由PSPice仿真结果可见，二阶无漂移有源低通滤波器中，电子元器件的温度漂移几乎不会对滤波器的性能造成影响；而传统的二阶有源低通滤波器受电子元器件的温度漂移的影响较大。

根据上面的分析可知，本发明所述变参数无漂移有源低通滤波器不仅满足信道无漂移特性的要求，且变参数无漂移有源低通滤波器的参数随时间变化，提高了信号的响应速度，是一种可靠的有源模拟滤波器设计方案。

实施例2

根据实施例1所述滤波器电路，其区别在于，C1＝C2，R2＝2R1。

此处设计的优势在于，简化了无漂移有源低通滤波器基本节电路的设计。

R22＝2R11。

此处设计的优势在于，保持了无漂移有源低通滤波器基本节电路的品质因数不变。

所述单稳态触发器为单稳态触发器74121。

所述模拟开关为模拟开关ADG412。

Claims (7)

1.一种变参数无漂移有源低通滤波器电路，其特征在于，包括：无漂移有源低通滤波器基本节电路、输入信号变化检测电路、脉冲定时电路、模拟开关电路；所述无漂移有源低通滤波器基本节电路包括运算放大器、电阻R11、电阻R22，所述运算放大器的直流失调电压以及直流失调电压产生的直流漂移与主信道之间被电容隔离；所述输入信号变化检测电路用来检测是否有输入信号发生变化；所述脉冲定时电路用于调节输出脉冲宽度，改变滤波器的参数值；所述模拟开关电路用于接通并联的电阻；

所述无漂移有源低通滤波器基本节电路包括无漂移有源低通滤波器二阶节电路及电阻R11、电阻R22，所述无漂移有源低通滤波器二阶节电路包括电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2及运算放大器u1；所述输入信号变化检测电路包括两个非门u2、u3及一个异或门u4；所述脉冲定时电路包括：单稳态触发器、电容C3、电阻R3；所述模拟开关电路包括模拟开关；

所述无漂移有源低通滤波器基本节电路中，电阻R11一端连接主信道，电阻R1、电阻R11、模拟开关管脚2、模拟开关管脚3形成串联回路；运算放大器u1管脚2、模拟开关管脚14、模拟开关管脚15、电阻R22、运算放大器u1管脚6形成串联回路；

所述输入信号变化检测电路中，非门u2连接主信道，非门u2连接非门u3，异或门u4的两个输入端分别连接非门u3及主信道，异或门u4的输出端连接单稳态触发器的管脚5；

所述脉冲定时电路中，单稳态触发器的管脚10、电容C3、单稳态触发器的管脚11形成串联回路；单稳态触发器的管脚10、电容C3、电阻R3、单稳态触发器的管脚14形成串联回路；单稳态触发器的管脚14还连接高电平；单稳态触发器的管脚11、电阻R3、单稳态触发器的管脚14形成串联回路；单稳态触发器的管脚3、4、7接地；

所述模拟开关电路中，模拟开关管脚5接地，模拟开关管脚1、16分别连接单稳态触发器的管脚6。

2.根据权利要求1所述滤波器电路，其特征在于，所述单稳态触发器管脚6输出时间T＝R3C3ln2的脉冲。

3.根据权利要求1所述滤波器电路，其特征在于，所述无漂移有源低通滤波器基本节电路的传递函数H(S)如式(Ⅰ)所示：

H(S)＝H₀{1+SR1’(C1+C2)+S²R1’R2’C1C2}^-1 (Ⅰ)

式(Ⅰ)中，H0＝1，R1’＝R1//R11，R2’＝R2//R22。

4.根据权利要求1所述滤波器电路，其特征在于，所述单稳态触发器为单稳态触发器74121。

5.根据权利要求1所述滤波器电路，其特征在于，C1＝C2，R2＝2R1。

6.根据权利要求1所述滤波器电路，其特征在于，R22＝2R11。

7.根据权利要求1-6任一所述滤波器电路，其特征在于，所述模拟开关为模拟开关ADG412。