CN107911132A - 一种电磁干扰消除装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁干扰消除装置。该电磁干扰消除装置通过限幅模块对输入信号进行限幅保护，采用前置放大模块放大所述限幅模块输出的信号，并降低所述限幅模块的输出信号的噪声系数，并使输入信号通过放大器和滤波模块达到增益输入信号并过滤烦扰信号的目的，最后通过移相模块对其相位进行等幅相位调整，使得电磁干扰消除装置具有高速、高共模抑制比、高输入阻抗、低噪等特点，能够实现共模噪声的有效消除。

Description

一种电磁干扰消除装置
技术领域
本发明实施例涉及消除电磁干扰技术领域，尤其涉及一种电磁干扰消除装置。
背景技术
随着电子行业的发展，任何电子器件都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。在需要大功率激励的设备中，激励产生的电磁干扰容易通过耦合进入系统，导致系统存在严重的噪声，使得激励的信号被淹没在噪声信号中，严重影响系统的可靠性。例如，作为一种非接触式探伤技术，电磁超声(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)技术在恶劣工况条件下拥有广泛的应用前景。电磁超声检测系统的激励系统需要大功率电流激励发射信号，发射电路产生将以共模噪声为主的脉冲电磁干扰，产生的电磁干扰容易通过空气耦合进入电磁超声接收电路，导致EMAT系统存在严重的噪声，使得接收到的信号被淹没在噪声信号中，将影响检测电路的接收效果进而产生误检，严重影响接收系统的可靠性。
发明内容
本发明提供一种电磁干扰消除装置，以实现有效的消除共模噪声，增加接收系统的可靠性。
本发明实施例提供了一种电磁干扰消除装置，包括：
接收装置，用于接收电磁干扰消除装置的输入信号；
限幅模块，用于对所述接收装置接收到的输入信号进行限幅保护；
前置放大模块，包括输入增益模块和差动放大模块；所述输入增益模块与所述限幅模块的输出端电连接，所述差动放大模块的输入端与所述输入增益模块的输出端电连接；所述前置放大模块用于放大所述限幅模块输出的信号，并降低所述限幅模块的输出信号的噪声系数；
一级放大器，与所述前置放大模块的输出端电连接，用于放大不同幅值的信号；
第一滤波模块，与所述一级放大器的输出端电连接，用于限制接收信号的频带以抑制干扰信号，提高所述电磁干扰消除装置的信噪比；
二级放大器，与所述第一滤波模块的输出端电连接，用于放大不同幅值的信号；
第二滤波模块，与所述二级放大器的输出端电连接，用于限制接收信号的频带以抑制干扰信号，提高所述电磁干扰消除装置的信噪比；
移相模块，与所述第二滤波模块的输出端电连接，所述移相模块用于输入信号在所述电磁干扰消除装置中产生相位延迟后对输入移相模块80的信号的相位进行等幅相位调整。
具体地，所述限幅模块采用一对反并联的二极管。
具体地，所述前置放大模块中所述输入增益模块采用AD4817-2放大器，所述差动放大模块采用AD8429仪表运放器；所述前置放大模块的增益为所述输入增益模块的增益与所述差动放大模块的增益之和。
具体地，所述第一滤波模块为LC无源5阶巴特沃斯形式的宽带通滤波器；所述第一滤波模块的通带频率为100kHz-10MHz。
具体地，所述第二滤波模块为LC无源2阶切比雪夫窄带通滤波器；所述第二滤波模块的通带频率可调。
具体地，所述一级放大器与所述二级放大器是电流反馈型的运算放大器AD8007。
具体地，所述一级放大器与所述二级放大器的放大增益可调。
具体地，所述移相模块的移相范围是0-180°。
具体地，所述电连接均采用同轴电缆和BNC接头。
优选地，所述的电磁干扰消除装置，还包括显示装置，所述显示装置与移相模块的输出端电连接，用于显示电磁干扰消除装置的输出信号。
优选地，所述的电磁干扰消除装置，还包括壳体屏蔽层，用于将所述消除电磁干扰的装置进行封装。
本发明通过限幅模块对输入信号进行限幅保护，采用前置放大模块放大所述限幅模块输出的信号，并降低所述限幅模块的输出信号的噪声系数，并使输入信号通过放大器和滤波模块达到增益输入信号并过滤烦扰信号的目的，最后通过移相模块对其相位进行等幅相位调整，使得电磁干扰消除装置具有高速、高共模抑制比、高输入阻抗、低噪等特点，能够实现共模噪声的有效消除。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电磁干扰消除装置的结构模块图。
图2是本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的限幅模块的电路图。
图3是本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的前置放大模块的电路图。
图4是本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的一级放大器的电路图。
图5是本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的一级滤波模块的电路图。
图6是本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的二级滤波模块的电路图。
图7是本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的移相模块的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
图1为本发明实施例提供的电磁干扰消除装置的结构模块图，本实施例可适用于以共模噪声为主的电磁干扰影响系统的信号传输等情况，该电磁干扰消除装置具体可以包括：
接收装置10，用于接收电磁干扰消除装置的输入信号。
以电磁超声技术的接收装置为例，接收装置10可以是接收线圈，接收线圈的形状与接收的电磁超声波的类型相关，接收线圈的线间距与接收的电磁超声波的频率相关。
限幅模块20，用于对接收装置10接收到的输入信号进行限幅保护。
同样以电磁超声技术为例，EMAT发射电路在工作时产生的电磁干扰有数伏电压，电磁超声检测系统的核心部件电磁超声换能器转换效率低，导致接收到的电磁超声回波信号幅值很小，一般为几十微伏到几百微伏。因此电磁干扰信号会对高增益高灵敏度的接收电路产生严重影响，因此，需要对输入信号进行限幅保护。
前置放大模块30，包括输入增益模块和差动放大模块；输入增益模块与限幅模块20的输出端电连接，差动放大模块的输入端与输入增益模块的输出端电连接；前置放大模块30用于放大限幅模块20输出的信号，并降低限幅模块20的输出信号的噪声系数。
一级放大器40的噪声系数和放大增益在很大程度上决定了系统的噪声系数。减小系统一级放大器40的噪声系数同时提高其功率增益是降低接收系统噪声系数的关键。因此在设计电磁干扰消除装置时，要确保一级放大器的噪声系数足够小，所以前置放大模块30既要放大限幅模块20输出的信号，又要降低限幅模块20的输出信号的噪声系数。
一级放大器40，与前置放大模块30的输出端电连接，用于放大不同幅值的信号。
一级放大器40中包括运算放大器、反馈电阻和增益电阻，根据所需放大的信号的幅值选择不同阻值的反馈电阻和增益电阻，使一级放大器40的增益可调适应不同幅值的信号。
第一滤波模块50，与一级放大器40的输出端电连接，用于限制接收信号的频带以抑制干扰信号，提高电磁干扰消除装置的信噪比。
第一滤波模块50可以选择多种滤波器，LC滤波器在高频、宽频领域中的作用是有源滤波器难以实现的，而且LC滤波器有着更低的噪声。LC滤波器的类型也有多种，例如巴特沃斯型滤波器和切比雪夫型滤波器。滤波器的类型可以根据滤波需要进行选择。
二级放大器60，与第一滤波模块50的输出端电连接，用于放大不同幅值的信号。
二级放大器60与一级放大器40的结构相同，也可根据所需放大的信号的幅值选择不同阻值的反馈电阻和增益电阻，使二级放大器60的增益可调适应不同幅值的信号。
第二滤波模块70，与二级放大器60的输出端电连接，用于限制接收信号的频带以抑制干扰信号，提高电磁干扰消除装置的信噪比。
第二滤波模块70同样可以选择多种滤波器，在二级放大器60放大信号后，避免放大后的信号中的回波信号对信号进行干扰，因此需要对回波信号频带进行控制，第二滤波模块70应该只允许特定频率的信号通过。
移相模块80，与第二滤波模块70的输出端电连接，移相模块80用于输入信号在电磁干扰消除装置中产生相位延迟后对输入移相模块80的信号的相位进行等幅相位调整。
移相模块80调节输入移相模块80的信号的相位，使得移相模块80的输出信号与电磁干扰消除装置的输入信号的相位相同。移相模块80包括移相电容和移相电阻，可通过移相模块80的信号的频率由移相电容和移相电阻的值确定，移相量则为移相模块80的输入信号的频率与移相模块80的通过频率的比值的反正切值。因此在确定移相电容值后，通过调节移相电阻的值便能够对不同频率的信号进行等幅值相位的调整。
该电磁干扰消除装置通过限幅模块对输入信号进行限幅保护，采用前置放大模块放大所述限幅模块输出的信号，并降低所述限幅模块的输出信号的噪声系数，并使输入信号通过放大器和滤波模块达到增益输入信号并过滤烦扰信号的目的，最后通过移相模块对其相位进行等幅相位调整，使得电磁干扰消除装置具有高速、高共模抑制比、高输入阻抗、低噪等特点，能够实现共模噪声的有效消除。
图2为本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的限幅模块的电路图，如图2所示，限幅模块20由两个二极管D1和D2构成，两个二极管D1和D2反向并联。二极管D1和二极管D2的正向导通电压相等。同样以电磁超声技术为例，接收线圈接收信号后会产生很高的感生电压，感生电压幅值高，对高增益高灵敏度的接收电路产生严重影响或损坏元件。限幅模块20与前置放大模块30实现串联，信号的峰峰值的绝对值小于二极管正向导通电压值时通过限幅模块20，因此限幅模块20对接收装置10接收到的输入信号进行限幅保护。
图3为本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的前置放大模块的电路图，如图3所示，前置放大模块30包括输入增益模块301和差动放大模块302。输入增益模块301包括两个运算放大器AD4817-2、第一电容C、第一电阻R、前级反馈电阻Rf、前级增益调节电阻RG，其中第一电容C为交流耦合电容，第一电阻R是给放大器提供直流通路的电阻，两个运算放大器AD4817-2的增益相同。差动放大模块302包括运算放大器AD8429、后级增益调节电阻RG‘，输入增益模块301的两个运算放大器AD4817-2的两个输出端OUT1和OUT2分别电连接差动放大模块302中的运算放大器AD8429的正极输入端和负极输入端。第一电阻R与第一电容C构成一个高通滤波器，可以滤除部分低频噪声，减小噪声带宽，提高信噪比。前置放大模块30的总增益G为：
其中，G′为差动放大模块302的增益。若令前级反馈电阻Rf为500欧姆，这种取值可以改善小信号的瞬态频率响应，同时，取前级增益调节电阻RG为25欧姆，差动放大模块302的增益设置为5，则前置放大模块30的总增益为205。
输入增益模块301采用的运算放大器AD4817-2具有很高的输入阻抗，并可以实现宽带宽、超低噪声的双通道高速运算。差动放大模块302采用运算放大器AD8429具有超低输入噪声，可以在-40℃至+125℃宽温度范围内测量微小信号，而且具有较高的共模抑制比，可防止干扰信号破坏数据采集。因此输入增益模块301和差动放大模块302构成的前置放大模块30既保留了单芯片仪表运放的低噪声、高共模抑制比的性能又满足了宽带宽的要求，其信号带宽可达10MHz。
需要说明的是，上述的前级反馈电阻Rf、前级增益调节电阻RG和差动放大模块302的增益的取值仅是示例性的示出其中的一个取值，而不是限定。其取值只需要满足前置放大模块30的需要即可。
图4为本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的一级放大器的电路图，如图4所示，一级放大器40包括运算放大器AD8007、单位增益稳定电阻Rs、反馈电阻Rf1和增益电阻RG1。反馈电阻Rf1的第一端电连接运算放大器AD8007的负极输入端，反馈电阻Rf1的第二端电连接运算放大器AD8007的输出端。增益电阻RG1的第一端电连接前置放大模块30的输出端，增益电阻RG1的第二端电连接运算放大器AD8007的负极输入端，运算放大器AD8007的第四端和第五端接入+5V电压和-5V电压。根据放大电路的原理，可得电路的增益为：
因此，调节反馈电阻Rf1和增益电阻RG1的阻值，就可以调节一级放大器40的增益，以适应不同幅值的信号。运算放大器AD8007是低噪、高速、高压摆率的电流反馈型放大器，因此可以低噪、高速、高压摆率的对信号进行放大。
二级放大器60和一级放大器40的电路可以相同也可以不同，本申请中二级放大器60采用与一级放大器40相同的电路，既可以达到调节二级放大器60的增益的需要，又可以简化系统的设计过程。
图5为本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的一级滤波模块的电路图，一级滤波模块50示例性的选用了LC无源5阶巴特沃斯形式的宽带通滤波器。如图5所示，一级滤波模块50中的第一电感L1和第一电容C1、第三电感L3和第三电容C3以及第五电感L5和第五电容C5分别串联组成第一子滤波模块、第三子滤波模块和第五子滤波模块，第一电感L2和第一电容C2以及第四电感L4和第四电容C4分别并联组成第二子滤波模块和第四子滤波模块。第一子滤波模块的第一端与一级滤波模块50的输入端电连接，第一子滤波模块的第二端与第二子滤波模块的第一端电连接，第二子滤波模块的第二端和第四子滤波模块的第二端接地，第二子滤波模块的第一端还与第三子滤波模块的第一端电连接，第三子滤波模块的第二端与第四子滤波模块的第一端电连接，第四子滤波模块的第一端还与第五子滤波模块的第一端电连接，第五子滤波模块的第二端与一级滤波模块50的输出端电连接。一级滤波模块50采用的LC无源5阶巴特沃斯型滤波器具有通带中幅度响应平滑的特点，通带频率为100kHz-10MHz，适用通过一级放大器40后的中幅度信号，对其进行平滑的滤波。
需要说明的是，一级滤波模块50的电路仅是一种示例，而不是限定，本领域技术人员容易想到的具有通带中幅度响应平滑的特点滤波器均在本申请的保护范围之内。
图6为本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的二级滤波模块的电路图，二级滤波模块70示例性的选用了LC无源2阶切比雪夫窄带通滤波器。第六电感L6和第六电容C6并联组成第六子滤波模块，第七电感L7和第七电容C7串联组成第七子滤波模块。第六子滤波模块的第一端与二级滤波模块70的输入端电连接，第六子滤波模块的第一端还与第七子滤波模块的第一端电连接，第六子滤波模块的第二端接地，第七子滤波模块的第二端与二级滤波模块70的输出端电连接。LC无源2阶切比雪夫窄带通滤波器，只允许特定频率的信号通过，对放大后的回波信号频带进行控制，可以在很大程度上抑制噪声，进一步提高信噪比和分辨率。通过改变LC无源2阶切比雪夫窄带通滤波器中的电感和电容的阻值，则可以调节通带频率。
需要说明的是，二级滤波模块70的电路仅是一种示例，而不是限定，本领域技术人员容易想到的只允许特定频率的信号通过的滤波器均在本申请的保护范围之内。
图7为本发明实施例提供的一种电磁干扰消除装置的移相模块的电路图，如图7所示，移相模块80包括运算放大器AD8007，第八电容C8、调节电阻Rd、第二电阻R2和第三电阻R3。第八电容C8的第一端与移相模块80的输入端电连接，第八电容C8的第二端与运算放大器AD8007的正极输入端电连接，第二电阻R2的第一端与移相模块80的输入端电连接，第二电阻R2的第二端与运算放大器AD8007的负极输入端电连接，第三电阻R3的第一端与运算放大器AD8007的负极输入端电连接，第三电阻R3的第二端与移相模块80的输出端电连接，调节电阻Rd的第一端与运算放大器AD8007的正极输入端电连接，调节电阻Rd的第二端接地。第二电阻R2和第三电阻R3的阻值可以相等或不等，此处为了便于计算，使第二电阻R2和第三电阻R3的阻值相等。移相量则为移相模块80的输入信号的频率与移相模块80的通过频率的比值的反正切值，而移相模块80的通过频率f0为：
因此，在确定了第八电容C8的值后，通过调节调节电阻Rd的值，可以对不同频率的信号进行等幅值相位调整，移相的范围是0-180°。
在上述实施例的基础上，为降低外界干扰，上述电磁干扰消除装置的各个模块之间均采用屏蔽性能良好的同轴电缆和BNC接头，降低外界的电磁干扰。
在上述实施例的基础上，电磁干扰消除装置还可以包括显示装置，显示装置可以是示波器，显示装置与移相模块80的输出端电连接，用于显示电磁干扰消除装置的输出信号。
在上述实施例的基础上，电磁干扰消除装置还可以包括壳体屏蔽层，用于将所述消除电磁干扰的装置进行封装。壳体屏蔽层的材料可以为铝，也可以是其他有屏蔽效果的封装材料。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电磁干扰消除装置，其特征在于，包括：
接收装置，用于接收电磁干扰消除装置的输入信号；
限幅模块，用于对所述接收装置接收到的输入信号进行限幅保护；
前置放大模块，包括输入增益模块和差动放大模块；所述输入增益模块与所述限幅模块的输出端电连接，所述差动放大模块的输入端与所述输入增益模块的输出端电连接；所述前置放大模块用于放大所述限幅模块输出的信号，并降低所述限幅模块的输出信号的噪声系数；
一级放大器，与所述前置放大模块的输出端电连接，用于放大不同幅值的信号；
第一滤波模块，与所述一级放大器的输出端电连接，用于限制接收信号的频带以抑制干扰信号，提高所述电磁干扰消除装置的信噪比；
二级放大器，与所述第一滤波模块的输出端电连接，用于放大不同幅值的信号；
第二滤波模块，与所述二级放大器的输出端电连接，用于限制接收信号的频带以抑制干扰信号，提高所述电磁干扰消除装置的信噪比；
移相模块，与所述第二滤波模块的输出端电连接，所述移相模块用于输入信号在所述电磁干扰消除装置中产生相位延迟后对输入移相模块的信号的相位进行等幅相位调整。
2.根据权利要求1所述的电磁干扰消除装置，其特征在于，所述限幅模块采用一对反并联的二极管。
3.根据权利要求1所述的电磁干扰消除装置，其特征在于，所述前置放大模块中所述输入增益模块采用AD4817-2放大器，所述差动放大模块采用AD8429仪表运放器；所述前置放大模块的增益为所述输入增益模块的增益与所述差动放大模块的增益之和。
4.根据权利要求1所述的电磁干扰消除装置，其特征在于，所述第一滤波模块为LC无源5阶巴特沃斯形式的宽带通滤波器；所述第一滤波模块的通带频率为100kHz-10MHz。
5.根据权利要求1所述的电磁干扰消除装置，其特征在于，所述第二滤波模块为LC无源2阶切比雪夫窄带通滤波器；所述第二滤波模块的通带频率可调。
6.根据权利要求1所述的电磁干扰消除装置，其特征在于，所述一级放大器与所述二级放大器的放大增益可调。
7.根据权利要求1所述的电磁干扰消除装置，其特征在于，所述移相模块的移相范围是0-180°。
8.根据权利要求1所述的电磁干扰消除装置，其特征在于，所述电连接均采用同轴电缆和BNC接头。
9.根据权利要求1所述的电磁干扰消除装置，其特征在于，还包括显示装置，所述显示装置与移相模块的输出端电连接，用于显示电磁干扰消除装置的输出信号。
10.根据权利要求1-8任一所述的消除电磁干扰的装置，其特征在于，还包括壳体屏蔽层，用于将所述消除电磁干扰的装置进行封装。
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