CN1328380A - 零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器 - 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产品的技术方案,它主要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等构成,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

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产品的技术方案。

有源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方案之中，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，当带通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。

为保证有用基频在通过滤波器后相移为零，并且需实时连续得到有用基频信号，采用自适应有源模拟带通滤波器的传统方案如图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。当含有高次谐波分量的基频输入信号V_i经2后成为与V_i正交的V_i′，并与带通滤波器滤出的基频信号V₀模拟相乘，得到一个能反映带通滤波器中心频率变化方向的直流反馈电压：ΔU，ΔU通过4产生使1中心频率f_o与V_i中基频一致且相位差为零的压控直流电压U，U随时调节压控带通的中心频率f_o跟随输入基频，使带通滤波器的输出基频信号与输入基频相差为零，以达到滤除杂波且保证输出信号基频相位无延迟失真。

为说明问题，简化推导过程如下：

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

那么：V_o＝A₁sin(ωt＋θ₁)＋A₂sin(2ωt＋θ₂)＋A₃sin(3ωt＋θ₃)＋…

      V_i′＝a₁cosωt＋a₂cos2ωt＋a₃cos3ωt＋…

∴乘法器输出ΔU＝V_i′×V_o

ΔU＝(a₁cosωt＋a₂cos2ωt＋a₃cos3ωt＋…)[a₁sin(ωt＋θ₁)＋A₂sin(2ωt＋θ₂)＋A₃sin(3ωt＋θ₃)＋…]

过积分器后 $U={\∫}_O^T\mathrm{\ΔUdt}$ $={\∫}_O^T[a{1A}_1\cos \mathrm{\ω}t\sin \left(\mathrm{\ω}{t+\mathrm{\θ}}_1\right)+a1A_2\cos 2\mathrm{\ω}t\sin (2\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_2)+a3A_3\cos 3\mathrm{\ωt}*$

        sin(3ωt＋θ₃)＋…]ΔUdt

又∵a₁A₁＞＞a₁A₂、a₃A₃…

∴U式可简化成为：

U＝a₁A₁T/2*sinθ₁

即积分器输出的压控信号含有带通滤波器中心频率漂移信息θ₁，以U反馈回压控带通滤波器就可实现f_o的自动跟随，从而达到输入信号与输出信号无相移失真。

以上在表面上似乎解决了有源带通滤波器温漂问题，实际则不然：作为带通滤波器中心频率(相位)检测的关键器件——模拟乘法器本身就存在温度失调漂移直流电平，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带通滤波器中心频率漂移信息，而且还包含乘法器自身温度漂移产生的直流分量。而控制压控带通滤波器的直流压控电压是以上两者之和，这势必使压控带通滤波器产生过调整，带通滤波器中心频率偏离输入信号基频，使输入信号通过带通滤波器后的V₀产生相移θ₁，经模拟乘法器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，从而系统达到平衡，即因模拟乘法器温漂，带通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。

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方案。本发明专利在保留上述电路原理方案同时，增加了辅助开关分时模拟乘法器自校零通道，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。

本发明专利详述于下：

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V_i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V_k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。

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。

本发明专利工作原理为：带有杂波的基波信号由16输入，分别连接5、11、12，如图中所示；5连接电子开关K1、K2、K3的切换控制端，同步控制K1、K2、K3在各自1、2触点的同步切换。设：K1、K2、K3在开关脉冲控制下(如图4的t₀—t₁时刻)高电平分别切换于各自触点1，使13进入自校零周期，即13两输入端接地，此时如13输出不为零，6便有误差积分电压输出，负反馈于13后，使13向输出为零的方向趋近，此输出误差积分电压由6中积分电容记忆，当K3切换于触点2点时，因6输入悬空，6中积分电容无泄放回路，故6将保持此误差积分电压输出至下个自校零周期开始；当K1、K2、K3在开关脉冲控制下(如图4的t₁—t₂时刻)低电平切换于触点2时，使13进入主控回路完成V_o与V_i′的乘法运算，输出相位误差(鉴相)信号V_f，V_f经14积分输出误差积分电压V_F(压控有源模拟带通滤波器的压控负反馈电压)，控制11输出V_o的相位向与V_i基频零相移的方向趋近，同样V_F由14中积分电容记忆，当K3切换于1点时，因14输入悬空，14中积分电容无泄放回路，故14将保持此误差积分电压V_F输出至下次主控回路起控周期，当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V_o与V_i基频相移为零，整个系统达到动态平衡，这样一来，就使主控回路通道工作于连续模拟状态下，而仅控制电路工作于开关情况中，满足了模拟连续零相移滤波的设计要求，这正是此方案的巧妙之处，即实现了零相移零温漂自适应有源模拟带通滤波器产品的技术方案、克服了现有设计方案的不足。

在此需注意：因温度漂移属于电路周围环境慢变化、13输出V_f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方案中，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方案之本意；图2中K1、K2、K3仅为电子开关示意模型，只要切换速率、导通电阻满足整机设计要求均可采用；在某些特定设计情况下，图2中的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7、17进行零相移滤波，去除各自杂波，提取出各无相移失真的工频信号，再通过8、18分别产生携带各自相位信息的方波输入9，鉴相结果输入10进行处理输出。采用此发明专利于C中的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产品的技术方案，其特征在于它主要包括：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等构成。带有杂波的基波输入装置分别连接压控有源模拟带通滤波器、90°移相器和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；模拟乘法器分别通过电子开关连接压控有源模拟带通滤波器、90°移相器、辅助通道乘法器自校零积分器和主控回路积分器；主控回路积分器连接压控有源模拟带通滤波器；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连接电子开关。由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主控回路；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零相移零温漂辅助通道。

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