CN1181612C - 零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器的滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利属于零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器的滤波方法，它由带有杂波的基波输入装置、压控有源模拟带通滤波器、90°移相器、模拟乘法器、主控回路积分器、辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器、辅助通道乘法器自校零积分器与电子开关构成，利用辅助通道电路切换电子开关，使主控回路的模拟乘法器分时工作于主控回路鉴相/自校零的开关状态，消除了模拟乘法器作为鉴相器的温漂，从而使有源带通滤波器工作于连续模拟状态，克服了现有设计方案的不足。

Description

零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器的滤波方法

本发明专利是属于零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器的滤波方法。

有源模拟带通滤波器以其体积小、电路设计灵活性强，广泛应用于电子产品设计技术解决方法之中，如用于电力系统功率因数测量的工频相位计、射频接收机中频信号提取等。有源模拟带通滤波器在理论上是提取有用频率、抑制噪声的最直接且有效之手段；但其温度漂移使输入信号中基频(有用)分量在通过滤波器后，因带通滤波器自身中心频率漂移，使输出基频信号与输入信号中基频信号之间产生相位差，即为相移，亦称为相位延迟失真，当有源模拟带通滤波器Q值较高时相位失真随温度变化明显增加，有时会产生有用基频被滤除的恶劣后果。

中心频率设计为输入信号基频频率的有源模拟带通滤波器产生温度漂移时的相频特性为：当输入信号基频频率高于有源模拟带通滤波器中心频率时，基频输出信号产生相对于基频输入信号为负的相移；当输入信号基频频率等于有源模拟带通滤波器中心频率时，基频输出信号不产生相对于基频输入信号的相移，即基频零相移；当输入信号基频频率低于有源模拟带通滤波器中心频率时，基频输出信号产生相对于基频输入信号为正的相移。所以，基频输出信号相对于基频输入信号相位的正、负直接反映有源模拟带通滤波器中心频率相对输入信号基频频率的低、高。

要得到上述输入信号基频零相移结果，在采用压控有源模拟带通滤波器时，只要已知基频输出信号相对于基频输入信号相位差的正、负信息后，相应调节作用于压控有源模拟带通滤波器压控元件控制端电压：当相位差为正时，使压控元件电抗参数单调改变，由此改变压控有源模拟带通滤波器中心频率由高向低变化；反之相位差为负时，使压控元件电抗参数向相反方向单调改变，由此改变压控有源模拟带通滤波器中心频率由低向高变化，两者均调节至压控有源模拟带通滤波器中心频率等于输入信号基频频率时，才能保证基频输出信号不产生相对于基频输入信号的相移。

为保证有用基频在通过压控有源模拟带通滤波器后相移为零，并且实时连续得到有用基频输出信号而无需人为调整，采用自适应有源模拟带通滤波器的传统技术解决方法如图1所示，图1中1为压控有源模拟带通滤波器；2为90°移相器；3为模拟乘法器；4为积分器。

叠加高次谐波分量的基频输入信号V_i，一路经90°移相器2后成为与V_i正交的V_i′，同时另一路输入压控有源模拟带通滤波器1，对高次谐波分量衰减后输出为V₀，V₀与V_i′输入模拟乘法器3模拟相乘，输出反馈电压：ΔU，ΔU输入积分器4并通过积分器4的误差放大与低通滤波，产生一个能反映带通滤波器因温漂而产生的实际中心频率与设计中心频率(输入信号基频频率)之间误差变化方向与大小的压控电压U，U反馈于压控有源模拟带通滤波器1的压控元件，当相位差为正时，使压控元件电抗参数单调改变，由此改变压控有源模拟带通滤波器中心频率由高向低变化；反之相位差为负时，使压控元件电抗参数向相反方向单调改变，由此改变压控有源模拟带通滤波器中心频率由低向高变化，从而自动改变压控有源模拟带通滤波器1的中心频率与V_i中基频频率趋向一致，直至U调节压控有源模拟带通滤波器1的中心频率跟随输入信号基频频率相等，此时模拟乘法器3无带有基频相移信息直流分量输出，积分器4的积分电容因无此直流分量输入而保持跟随过程积分电压值，系统实现动态平衡：压控有源模拟带通滤波器1的输出基频信号与输入基频信号相位差为零，达到了滤波且保证输出信号基频相位无延迟失真的目的。

为进一步说明问题，简化推导过程如下：

设：V_i＝a₁sinωt+a₂sin2ωt+a₃sin3ωt+…；90°移相器2的幅频响应平坦。

那么：压控有源模拟带通滤波器1输出为

V₀＝A₁sin(ωt+θ₁)+A₂sin(2ωt+θ₂)+A₃sin(3ωt+θ₃)+…      (1)式

(1)式中A₁＞＞A₂、A₃…；一般设计为A₁与a₁同量级、A₂＜＜a₂、A₃＜＜a₃…；因温漂使压控有源模拟带通滤波器1中心频率偏移故：θ₁为V_i中基频通过压控有源模拟带通滤波器1产生的相移、θ₂为V_i中二次谐波通过压控有源模拟带通滤波器1产生的相移、θ₃为V_i中三次谐波通过压控有源模拟带通滤波器1产生的相移…

90°移相器2的输出为V_i′＝a₁cosωt+a₂cos2ωt+a₃cos3ωt+…   (2)式

∴乘法器3输出为ΔU＝V_i′×V₀                               (3)式

ΔU＝(a₁cosωt+a₂cos2ωt+a₃cos3ωt+…)[A₁sin(ωt+θ₁)+A₂sin(2ωt+θ₂)+A₃sin(3ωt+θ₃)+…]

通过积分器4后输出为

U＝∫ΔUdt                                                 (4)式

U＝∫[a₁A₁cosωtsin(ωt+θ₁)+a₁A₂cos2ωtsin(2ωt+θ₂)+a₃A₃cos3ωt^*

     sin(3ωt+θ₃)+…]ΔUdt

当积分器4构成的低通截止角频率＜＜ω时：

又∵a₁A₁＞＞a₁A₂、a₃A₃…

∴(4)式可简化成为：

U＝(a₁A₁*sinθ₁)t/2+C                                      (5)式

(5)式中C为系统实现动态平衡时积分电容上保持跟随过程的积分器4输出的电压常数。

即只要基频输出信号相对于基频输入信号相移θ₁不为0，就有(a₁A₁*sinθ₁)t/2项输出反馈至压控有源模拟带通滤波器1的压控元件控制端，直至自动调整θ₁为0，U等于一个新的C值时，系统达到动态平衡，实现了自适应有源模拟带通滤波器。至此在表面上解决了有源带通滤波器温漂问题，实际则不然，现有自适应有源模拟带通滤波器技术解决方法成立的前提条件是：作为此滤波器中心频率(或相位延迟失真)检测的关键器件——模拟乘法器3为理想乘法器，而实际模拟乘法器本身就存在温度失调漂移直流电平输出，或言在温度变化的情况下乘法器输出直流分量中不仅包括压控有源模拟带通滤波器1中心频率漂移信息而且还包含乘法器自身温度漂移产生的直流变量。而控制压控有源模拟带通滤波器1的直流压控电压是以上两者积分与系统实现动态平衡时积分电容上保持跟随过程的电压常数C之和，即：

U＝[a₁A₁*sin(θ₁+θ₁′)]t/2+δ(t)+C                       (6)式

(6)式中：δ(t)为模拟乘法器温度失调漂移直流变量通过积分器4的直流输出，这势必使压控有源模拟带通滤波器1产生过调整，使其中心频率偏离输入信号基频，进而造成V_i通过压控有源模拟带通滤波器1后基频输出信号产生附加相移θ₁′，再经模拟乘法器3相乘后产生一个过调整直流分量以抵消乘法器自身温漂直流分量的影响：(a₁A₁*sinθ₁′)t/2＝-δ(t)；从而系统达到新的动态平衡，即因模拟乘法器3不理想存在温漂，压控有源模拟带通滤波器1的基频输出信号反而产生了附加相移。

这就是为什么非实时处理电路在去除基频信号中高次谐波时无一例外的采用开关电容滤波器，而尽量避免使用模拟滤波器，如遇需实时连续信号、高精度低相位失真滤波场合就无计可施的主要原因之一。

为解决现有技术解决方法中自适应有源模拟带通滤波器因模拟乘法器温漂产生附加相移的缺陷，本人经一段时间的研究，提出了辅助通道开关分时模拟乘法器自校零的改进自适应有源模拟带通滤波器技术解决方法。即本发明专利在保留上述电路原理技术解决方法同时，增加了开关分时模拟乘法器自校零辅助通道，使模拟乘法器改为分时工作，其中一部分时间自校零，使实际模拟乘法器成为“不受温度漂移影响”的理想模拟乘法器；另一部分时间，校零后的理想模拟乘法器接入主控回路完成乘法运算，实现前述自适应有源模拟带通滤波器功能，从而实现了有源模拟带通滤波器的零相移零温漂，很好地解决了这一技术难题。

本发明专利是一种零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器的滤波方法，由压控有源模拟带通滤波器对输入信号基频进行滤波提取，由带有杂波的基波输入装置、压控有源模拟带通滤波器、90°移相器、模拟乘法器、主控回路积分器构成自适应有源模拟带通滤波器，即90°移相器、模拟乘法器、主控回路积分器构成压控有源模拟带通滤波器的主控回路，以模拟乘法器检测压控有源模拟带通滤波器的输入信号基频与输出信号基频相位差并完成相位差至误差电压的转换，以主控回路积分器放大/记忆误差电压并控制压控有源模拟带通滤波器，使压控有源模拟带通滤波器输出信号基频相位自动跟随输入信号基频相位且保持相移为零，实现自适应；同时由辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器、辅助通道乘法器自校零积分器与电子开关构成开关分时模拟乘法器自校零辅助通道，以辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器来控制电子开关使模拟乘法器处于分时工作状态：一部分时间接入主控回路完成自适应控制，另一部分时间断开主控回路使模拟乘法器切换入自校准电路，由辅助通道乘法器自校零积分器完成模拟乘法器的自校准，克服模拟乘法器自身的温度漂移误差，实现自适应有源模拟带通滤波器不受环境温度漂移影响的零相移零温漂。

本发明专利详述于下：

图1是采用传统技术解决方法的自适应有源模拟带通滤波器的原理示意图；图2是零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器原理示意图。图3是带有丰富谐波分量的带通滤波器输入信号Vi波形示意图。图4为辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关发生器输出信号Vk波形示意图。图5为本发明专利应用于国产高精度自校准数字工频网络综合测试仪内部连接框图。

本发明专利电路工作原理为：

图2中：5为辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器；6为辅助通道乘法器自校零积分器；11为压控有源模拟带通滤波器；12为90°移相器；13为模拟乘法器；14为主控回路积分器；16为带有杂波的基波输入装置；K1、K2、K3为单刀双掷电子开关。其中压控有源模拟带通滤波器11功能与附图1中部件1压控有源模拟带通滤波器功能相同、90°移相器12功能与附图1中部件2的90°移相器功能相同、模拟乘法器13与附图1中部件3的模拟乘法器功能相同、主控回路积分器14与附图1中部件4的积分器功能相同，90°移相器12、模拟乘法器13、主控回路积分器14共同构成压控有源模拟带通滤波器11的主控回路，即压控有源模拟带通滤波器11、90°移相器12、模拟乘法器13、主控回路积分器14构成的自适应有源模拟带通滤波器与附图1中现有滤波技术解决方法相同；辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器5、辅助通道乘法器自校零积分器6与单刀双掷电子开关K1、K2、K3构成开关分时模拟乘法器自校零辅助通道。

带有丰富谐波分量的带通滤波器输入信号Vi由带有杂波的基波输入装置16输入，分别连接并输出至辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器5、压控有源模拟带通滤波器11、90°移相器12；辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器5的输出连接电子开关K1、K2、K3的切换控制端；辅助通道乘法器自校零积分器6的输出连接模拟乘法器13的调零输入端。

辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器5完成对带有杂波的基波输入信号Vi进行低通滤波，去除输入信号中杂波干扰，提取纯净输入信号基频后，进行放大限幅发生整形开关控制脉冲信号Vk，以此同步控制K1、K2、K3在各自1、2触点的同步切换。设：K1、K2、K3在开关脉冲信号Vk高电平控制下(如图4的t0-t1时刻)分别切换于各自触点1，使模拟乘法器13进入自校零周期，即模拟乘法器13两输入端接地，此时如模拟乘法器13输出不为零，模拟乘法器13的温漂直流输出信号通过K3触点1输入辅助通道乘法器自校零积分器6，经辅助通道乘法器自校零积分器6的积分放大便有误差调零积分电压输出，负反馈于模拟乘法器13的调零输入端后，使模拟乘法器13向输出为零的理想模拟乘法器方向趋近，此输出误差调零积分电压由辅助通道乘法器自校零积分器6中积分电容记忆，当K3切换于触点2点时，因辅助通道乘法器自校零积分器6输入悬空，辅助通道乘法器自校零积分器6中积分电容无泄放回路，故辅助通道乘法器自校零积分器6将保持此误差调零积分电压输出至下个自校零周期开始；当K1、K2、K3在开关脉冲信号Vk控制下(如图4的t1-t2时刻)低电平切换于触点2时，使模拟乘法器13进入主控回路，完成Vo与Vi′的乘法运算，恢复与现有技术解决方法相同的自适应有源模拟带通滤波器的工作，模拟乘法器13输出相位误差(鉴相)信号Vf，Vf经主控回路积分器14积分输出误差积分电压VF(压控有源模拟带通滤波器11的压控负反馈电压)，控制压控有源模拟带通滤波器11输出基频信号Vo的相位向与Vi基频零相移的方向趋近，同样VF由主控回路积分器14中积分电容记忆，当K3切换于1点时，因主控回路积分器14输入悬空，14中积分电容无泄放回路，故主控回路积分器14将保持此误差积分电压VF输出至下次主控回路起控周期，当辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器5输出连续开关脉冲情况下，上述自适应调整过程自动周期性重复，直至模拟乘法器13自校零过程结束成为理想模拟乘法器后，主控回路与现有技术解决方法自适应有源模拟带通滤波器工作相同，这里不再重复，唯一需要注意的是：主控回路积分器14中的积分电容的设计，应考虑其在辅助通道开关分时模拟乘法器自校零时主控回路积分器14输入端开路期间、和切换于自适应有源模拟带通滤波器时模拟乘法器13无带有基频相移信息直流分量输出期间，主控回路积分器14中的积分电容上的电压应仍能保持跟随过程电压值不变，即为满足整机设计精度的要求积分电容自身的漏电电阻与积分器等效漏电电阻应足够大。自此周期循环，直至实现自适应有源模拟带通滤波器Vo基频信号相对Vi基频信号相移为零，整个系统达到动态平衡，这样一来，就使主控回路通道中压控有源模拟带通滤波器11从始至终工作于连续模拟状态，而仅控制电路工作于开关状态，满足了模拟连续零相移滤波的设计要求，同时从根本上克服环境温度的变化对有源模拟带通滤波器中心频率的影响，自而实现了本发明专利所述：零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器产品的技术解决方法。

在此需注意：因温度漂移属于电路周围环境慢变化、模拟乘法器13输出Vf中的等效温度漂移直流分量亦为慢变化，故在电子工程总体设计技术解决方法中，一定视系统总体设计要求，兼顾带通滤波器带宽与整个系统达到动态平衡所需时间统筹考虑，才可真正达到本发明专利的技术解决方法之本意；在某些特定设计情况下，图2中的辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器5亦可由外加脉冲开关信号源代替，视整机设计要求确定脉冲占空比，开关频率一般小于等于输入信号基频频率，不过这将使本滤波器与外部连接复杂。

本发明专利中用于实现的各部件为：

(1).本发明专利中的压控有源模拟带通滤波器11是由通用模拟运算放大器、压控电抗元件和固定参数无源元件一同构成；或由专用压控有源模拟带通滤波器集成电路构成，只要满足滤波器产品整体设计要求均可采用。

(2).本发明专利中的90°移相器12是由通用模拟运算放大器、固定参数无源元件一同构成的一阶微分器或积分器构成；或由专用90°移相器集成电路构成，只要满足输入与输出信号相位差为90°均可采用。

(3).本发明专利中的模拟乘法器13是由分立器件构成的模拟乘法器、或通用可变跨导模拟运算放大器、或专用模拟乘法器集成电路构成，只要满足滤波器产品整体设计要求均可采用。

(4).本发明专利中的主控回路积分器14、辅助通道乘法器自校零积分器6是由通用模拟运算放大器和固定参数无源元件一同构成的通用积分器电路构成，只要满足滤波器产品整体设计要求均可采用。

(5).本发明专利中的辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器5是由分立元件组成的具有相应功能的电路、或专用集成电路、或专用模块电路构成，只要满足滤波器产品整体设计要求均可采用。

(6).本发明专利中的电子开关K1、K2、K3是由分立元件场效应管、或模拟电子开关集成电路构成，只要导通、关断电阻与开关速度满足滤波器产品整体设计要求均可采用。

(7).本发明专利中的各部件可部分或全部采用单一集成电路构成，只要功能满足滤波器产品整体设计要求均可采用。

(8).本发明专利中的带有杂波的基波输入装置16是由电子连接元件或组件构成，只要频响、连接或接触阻抗满足滤波器产品整体设计要求均可采用。

本发明专利应用于国产高精度自校准数字工频网络综合测试仪的两路工频相位测量内部连接框图如图5所示：

其中A为A路工频输入信号；B为B路工频输入信号；C为高精度自校准数字工频网络综合测试仪；7、17为中心频率为工频的零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器；8、18为放大限幅器；9为工频相位鉴相器；10是中央测量数据处理器/结果输出器；15是其它测量电路。

A、B分别通过中心频率为工频的零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器7、17进行零相移滤波，去除各自杂波，提取出无相移失真的工频信号，再通过放大限幅器8、18分别产生携带各自相位信息的方波输入工频相位鉴相器9，鉴相结果输入中央测量数据处理器/结果输出器10进行处理输出。采用此发明专利于C中的中心频率为工频的零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器7、17，在杂波总能量小于等于工频能量的四分之一时，可保证国产高精度自校准数字工频网络综合测试仪的工频测相精度优于万分之三。

Claims (1)

1.一种零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器的滤波方法，其特征在于：由压控有源模拟带通滤波器对输入信号基频进行滤波提取，由带有杂波的基波输入装置、压控有源模拟带通滤波器、90°移相器、模拟乘法器、主控回路积分器构成自适应有源模拟带通滤波器，以90°移相器、模拟乘法器、主控回路积分器构成压控有源模拟带通滤波器的主控回路，用模拟乘法器检测压控有源模拟带通滤波器的输入信号基频与输出信号基频相位差并完成相位差至误差电压的转换，以主控回路积分器放大/记忆误差电压并控制压控有源模拟带通滤波器，使压控有源模拟带通滤波器输出信号基频相位自动跟随输入信号基频相位且保持相移为零，实现自适应；同时由辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器、辅助通道乘法器自校零积分器与电子开关构成开关分时模拟乘法器自校零辅助通道，以辅助通道基频低通滤波/放大限幅/整形开关控制信号发生器来控制电子开关使模拟乘法器处于分时工作状态：一部分时间接入主控回路完成自适应控制，另一部分时间断开主控回路使模拟乘法器切换入自校准电路，由辅助通道乘法器自校零积分器完成模拟乘法器的自校准，克服模拟乘法器自身的温度漂移误差，实现自适应有源模拟带通滤波器不受环境温度漂移影响的零相移零温漂。

Images