CN201839261U - 一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，包括积分、反相比例环节，其中积分环节包括第一运算放大器。本实用新型包括输出端与积分环节相连的第三运算放大器，反相输入端和输出端之间连有第一电阻和第一电容；第一运算放大器的输出端与反相比例环节相连；反相比例环节的输出端与第三运算放大器的反相输入端通过第三电阻相连；本实用新型还包括接收同一控制端输出信号的串接于第一、三电阻相互连接的一端到第三运算放大器的反相输入端之间、或者分别串接于第一、三电阻支路上的反馈回路模拟电子开关、和与第二电阻串联的第二模拟电子开关。本实用新型将频率跟踪滤波功能和积分功能的实现合二为一，电路结构简单。

Description

一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路

技术领域

本实用新型涉及一种积分电路，尤其涉及一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路。

背景技术

带通滤波电路和积分电路在实际中应用非常广泛，带通滤波电路具有滤除不需要的干扰信号的作用，而积分电路不仅用作积分运算，而且利用其充放电过程还可以实现延时、定时以及产生各种波形。

在实际应用中，有时需要电路达到这样一种功能：既要对某一被处理频率信号进行频率跟踪滤波，同时还要求对该信号在要求频率点处进行积分。一般的实现方案是将频率跟踪滤波功能和积分功能分开实现，即对被处理信号先滤波后积分，或者先积分后滤波。这种方案的缺点是电路结构复杂、设计和制造成本较高。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，而提供一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，它将频率跟踪滤波功能和积分功能的实现合二为一，电路结构简单。

实现上述目的的技术方案是：一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，包括积分环节以及反相比例环节，所述积分环节包括有一第一运算放大器，其中，

所述的双二次环跟踪带通积分电路包括一第三运算放大器，该第三运算放大器的同相输入端接地，反相输入端通过一第四电阻接收输入信号，其输出端与所述的积分环节相连，所述第三运算放大器的反相输入端和输出端之间还连接有一第一电容以及与该第一电容并联连接的第一电阻，所述第三运算放大器的输出端经第一电阻和第一电容与所述第三运算放大器的反相输入端相连以构成第二反馈回路；

所述积分环节中的第一运算放大器的同相输入端接地，反相输入端通过一第二电阻与所述的第三运算放大器的输出端相连，输出端与所述的反相比例环节的输入端相连，所述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间还连接有一第二电容；

所述的反相比例环节接收所述积分环节输出的信号，该反相比例环节的输出端通过一第三电阻与所述的第三运算放大器的反相输入端相连以构成第一反馈回路；

所述双二次环跟踪带通积分电路还包括反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子开关，所述的反馈回路模拟电子开关和第二模拟开关接收同一控制端输出的脉宽调制信号，所述的第二模拟开关与所述的第二电阻串联，所述的反馈回路模拟电子开关串接于第一、三电阻相互连接的一端和第三运算放大器的反相输入端之间，或者分别串接于第一、三电阻所在的支路上。

上述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，其中，所述的反馈回路模拟电子开关串接于第一、三电阻相互连接的一端到第三运算放大器的反相输入端之间。

上述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，其中，所述的反馈回路模拟电子开关为两个，分别串接于所述的第一电阻所在的支路和第二电阻所在的支路上。

上述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，其中，所述的一个反馈回路模拟电子开关连接于所述的第三电阻和第三运算放大器的反相输入端之间或者连接于所述的第三电阻和反相比例环节的输出端之间；所述的另一个反馈回路模拟电子开关连接于所述的第一电阻与第三运算放大器的反相输入端之间或者连接于所述的第一电阻与所述的第三运算放大器的输出端之间。

上述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，其中，所述的第二模拟电子开关连接于所述的第三运算放大器的输出端与第二电阻之间或者连接于所述的第二电阻与第一运算放大器的反相输入端之间。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的电路具有带通跟踪滤波功能，并且同时还具有对中心频率处信号进行积分的功能，本实用新型适合于要求对某一频率信号进行积分而该信号混有其他频率干扰信号的场合，具有结构简单、设计方便的优点。

附图说明

图1是本实用新型的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路的第一实施例的电路图；

图2是本实用新型的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路的第二实施例的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

请参阅图1和图2，图中示出了本实用新型的一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，包括积分环节1以及反相比例环节2，积分环节1包括有一第一运算放大器3，其中：

双二次环跟踪带通积分电路包括一第三运算放大器4，该第三运算放大器4的同相输入端接地，反相输入端通过一第四电阻R₄接收输入信号，其输出端与积分环节1相连，第三运算放大器4的反相输入端和输出端之间还连接有一第一电容C₁以及与该第一电容C₁并联连接的第一电阻R₁，第三运算放大器4的输出端经第一电阻R₁和第一电容C₁与第三运算放大器1的反相输入端相连以构成第二反馈回路6；

积分环节1中的第一运算放大器3的同相输入端接地，反相输入端通过一第二电阻R₂与第三运算放大器4的输出端相连，输出端与反相比例环节2的输入端相连，第一运算放大器1的反相输入端和输出端之间还连接有一第二电容C₂；

反相比例环节2接收积分环节1输出的信号，该反相比例环节2的输出端通过一第三电阻R₃与第三运算放大器4的反相输入端相连以构成第一反馈回路5；

双二次环跟踪带通积分电路还包括反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子S2开关，反馈回路模拟电子开关和第二模拟开关S2接收同一控制端C输出的脉宽调制信号，第二模拟开关S2与第二电阻R₂串联，反馈回路模拟电子开关串接于第一、三电阻R₁、R₃相互连接的一端和第三运算放大器4的反相输入端之间，或者分别串接于第一、三电阻R₁、R₃所在的支路上。

第二模拟电子开关S2连接于第三运算放大器4的输出端与第二电阻R₂之间或者连接于第二电阻R₂与第一运算放大器3的反相输入端之间。

请参见图1，该实施例中，反馈回路模拟电子开关为一个，即反馈回路模拟电子开关S1，该开关串接于第一、三电阻R₁、R₃相互连接的一端和第三运算放大器4的反相输入端之间。

请参见图2，为本实用新型的第二实施例，在该实施例中，反馈回路模拟电子开关为两个，分别为S1和S3，该两个开关分别串接于第一、三电阻R₁、R₃所在的支路上，其中：

一个反馈回路模拟电子开关S3连接于第三电阻R₃和第三运算放大器4的反相输入端之间或者连接于的第三电阻R₃和反相比例环节2的输出端之间；另一个反馈回路模拟电子开关S1连接于第一电阻R₁与第三运算放大器4的反相输入端之间或者连接于第一电阻R₁与第三运算放大器4的输出端之间。

本实用新型的电路在双二次环环带通滤波电路中嵌接了反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子S2。反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子S2可以通过在控制端C加入控制信号来控制其打开或闭合。在本实用新型中，假定在C端接逻辑高电平，反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子S2闭合，而在C端接逻辑低电平，反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子S2断开。

本实用新型的一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路的控制方法，包括如下步骤：

在控制端输入周期为T的脉宽调制控制信号，在一个周期中模拟电子开关闭合的时间为T_T，其中：

脉宽调制控制信号的周期T是根据被积分信号频率f来确定的，

开关闭合时间T_T即导通时间为

n为脉宽调制控制信号的频率与被积分信号频率的倍数，n大于等于100，f_T为全导通频率。

工作原理：

本实用新型通过在在控制端C输入合适的脉宽调制信号，控制反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子S2的通断，改变电阻的等效值，即第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃的等效值，从而改变电路的输入输出特性。在C端输入周期为T的控制信号，在一个周期中开关闭合的时间为T_T，T_T为根据需要而设计的固定值，则在周期T内第一电阻R₁的等效平均值为

$R_{1e}=\frac{T}{T_T}{R}_1;---\left(1\right)$

式中，T_T为开关控制导通时间，为固定值；T为开关控制信号的周期。为使在一个周期T内反馈电阻的等效值尽量恒定，可取开关控制信号的频率为被积分信号频率的n倍，根据试验结果，一般取n＞100。则有

$R_{1e}=\frac{T}{T_T}{R}_1=\frac{n/T_T}{n/T}{R}_1=\frac{f_T}{f}{R}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_T}{\mathrm{\ω}}{R}_1---\left(2\right)$

式中，f为被积分信号频率，ω为被积分信号角频率，f_T、ω_T称为全导通频率、全导通角频率，为固定值。显然，当信号频率为f_T时，R_1e即为R₁。

类似地，R₂、R₃的等效平均值为

$R_{2e}=\frac{{\mathrm{\ω}}_T}{\mathrm{\ω}}{R}_3,R_{3e}=\frac{{\mathrm{\ω}}_T}{\mathrm{\ω}}{R}_3---\left(3\right)$

由上面分析可得图1电路的输入输出特性为

$H\left(s\right)=\frac{U_o\left(s\right)}{U_i\left(s\right)}=-\frac{\frac{1}{R_4{C}_1}s}{s^2+\frac{1}{R_{1e}{C}_1}s+\frac{1}{R_{2e}{R}_{3e}{C}_1{C}_2}}=-\frac{H{\mathrm{\ω}}_{0}s}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{Q}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}---\left(4\right)$

由式(4)可知，图1电路具有带通特性，且中心频率为

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{1}{R_{2e}{R}_{3e}{C}_1{C}_2}}=\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_T}\sqrt{\frac{1}{R_2{R}_3{C}_1{C}_2}}---\left(5\right)$

品质因数为

$Q=\sqrt{\frac{R_{1e}^2{C}_1}{R_{2e}{R}_{3e}{C}_1}}=\sqrt{\frac{R_1^2{C}_1}{R_2{R}_3{C}_2}}---\left(6\right)$

中心频率处的放大倍数为

$A=\mathrm{HQ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_T}{\mathrm{\ω}}\frac{R_1}{R_4}---\left(7\right)$

如果取

则有中心频率为

ω₀＝ω                        (8)

中心频率处的放大倍数为

$A=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\frac{R_2}{R_4}\sqrt{\frac{1}{R_1{R}_3{C}_1{C}_2}}---\left(9\right)$

由式(9)可知，图1电路的带通中心频率处的放大倍数A与被积分信号频率ω呈反比关系，因此图1电路既有带通滤波的功能，又有对信号进行积分的功能。

本实用新型的电路设置方法：

(1)选定参数n，确定全导通频率或全导通角频率f_T、ω_T。全导通频率决定了电路的工作范围。

(2)根据被积分信号频率f确定脉宽调制控制信号的周期T。脉宽调制控制信号的周期

其中导通时间为

(3)确定运放的型号，按照使用的用途选择合适运放，其选用规则可采用通用的运放选择规则。确定各电容和各电阻值，使满足式(6)～(9)所规定的要求。

(4)按照式(6)～(9)进行电路性能核算。

下面将举例说明：

试采用本实用新型电路设计能在159.155Hz以下工作的带通积分电路，设计指标为：中心频率随被积分信号频率变化，品质因数为10，中心频率处的放大倍数为

设计：(1)取n＝100，f_T＝159.155Hz，则

ω_T＝2πf_T＝1000rad/s，脉宽调制控制信号的导通宽度为62.8μs，为固定值。

(2)选定运放型号为AD711，取C₁＝C₂＝0.1μF，由可取R₂＝R₃＝10kΩ。由Q＝10，R₁＝100kΩ。取R₄＝100kΩ。

(3)脉宽调制控制信号的周期

例如，要对50Hz的正弦波进行积分运算，则脉宽调制控制信号的周期为200μs。

(4)经过计算，所设计电路满足要求。

根据本实用新型的方法选定元器件参数后，可直接按照本实用新型中的电路图进行实施。本实用新型所涉及的模拟电子控制开关的控制信号可采用通用的电路硬件来实现，也可采用微处理器通过软件编程的方法来实施。

以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，包括积分环节以及反相比例环节，所述积分环节包括有一第一运算放大器，其特征在于，

所述的双二次环跟踪带通积分电路包括一第三运算放大器，该第三运算放大器的同相输入端接地，反相输入端通过一第四电阻接收输入信号，其输出端与所述的积分环节相连，所述第三运算放大器的反相输入端和输出端之间还连接有一第一电容以及与该第一电容并联连接的第一电阻，所述第三运算放大器的输出端经第一电阻和第一电容与所述第三运算放大器的反相输入端相连以构成第二反馈回路；

所述积分环节中的第一运算放大器的同相输入端接地，反相输入端通过一第二电阻与所述的第三运算放大器的输出端相连，输出端与所述的反相比例环节的输入端相连，所述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间还连接有一第二电容；

所述的反相比例环节接收所述积分环节输出的信号，该反相比例环节的输出端通过一第三电阻与所述的第三运算放大器的反相输入端相连以构成第一反馈回路；

所述双二次环跟踪带通积分电路还包括反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子开关，所述的反馈回路模拟电子开关和第二模拟开关接收同一控制端输出的脉宽调制信号，所述的第二模拟开关与所述的第二电阻串联，所述的反馈回路模拟电子开关串接于第一、三电阻相互连接的一端和第三运算放大器的反相输入端之间，或者分别串接于第一、三电阻所在的支路上。

2.根据权利要求1所述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，其特征在于，所述的反馈回路模拟电子开关串接于第一、三电阻相互连接的一端到第三运算放大器的反相输入端之间。

3.根据权利要求1所述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，其特征在于，所述的反馈回路模拟电子开关为两个，分别串接于所述的第一电阻所在的支路和第二电阻所在的支路上。

4.根据权利要求3所述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，其特征在于，所述的一个反馈回路模拟电子开关连接于所述的第三电阻和第三运算放大器的反相输入端之间或者连接于所述的第三电阻和反相比例环节的输出端之间；所述的另一个反馈回路模拟电子开关连接于所述的第一电阻与第三运算放大器的反相输入端之间或者连接于所述的第一电阻与所述的第三运算放大器的输出端之间。

5.根据权利要求1所述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路，其特征在于，所述的第二模拟电子开关连接于所述的第三运算放大器的输出端与第二电阻之间或者连接于所述的第二电阻与第一运算放大器的反相输入端之间。

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