DE19738774A1

DE19738774A1 - Ein differentielles Hochpaßfilter zweiter Ordnung

Info

Publication number: DE19738774A1
Application number: DE19738774A
Authority: DE
Inventors: Chien-Ping Wu; Chang-Da Tsai; Shiao-Long Zhan
Original assignee: National Science Council
Current assignee: National Science Council
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1998-07-30
Also published as: TW324121B; JP3081565B2; US5952878A; JPH10224180A

Description

Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein differen tielles Hochpaßfilter, und besonders auf ein differentielles Hochpaßfilter zweiter Ordnung, das in der Lage ist, niederfre quente Signale mit einer Abschwächung von -40 dB/Dekade zu ent fernen, und das auch eine differentielle Verstärkung hat.

Hintergrund der Erfindung

Filter werden fast unabdingbar für die Verarbeitung elek trischer Signale benötigt. Im menschlichen Körper gibt es viele für die Diagnose bewährte Signale, die sich als differentielle Signale darstellen, z. B. Elektrokardiogramm, Elektroenzephalo gramm, u.s.w. Bei der Aufzeichnung dieser physiologischen Sig nale werden die gemessenen Signale jedoch oft durch niederfre quente Interferenz beschädigt. Die Interferenzen werden durch die Atmung und die Bewegung des Patienten als auch durch die differentielle Gleichspannung wegen der Polarisation der Elek troden verursacht. Im Ergebnis sind die gemessenen Signale ver schlechtert oder die physiologischen Interpretationen werden gestört. So ist es wichtig, die niederfrequenten Interferenzen zu unterdrücken, und das ist der erste Schritt in der Vorverar beitung der physiologischen Signale.

In der Literatur gibt es viele ausgezeichnete Signalverar beitungstechniken, um die niederfrequente Interferenz zu besei tigen. Wenn die Stärke der niederfrequenten Interferenz groß ist, ist die Auflösung der Signale bei der Analog/Digitalwand lung begrenzt, und die gewandelten Daten haben keine genügende Genauigkeit für die physiologische Interpretation. Daher sollte die Interferenz durch ein analoges Hochpaßfilter vor der Durch führung der Analog/Digitalwandlung abgeschwächt werden. Eine neuartige Idee für die Lösung des Genauigkeitsbegrenzungspro blems ist die Überlegung einer zusätzlichen Hochpaßfilterfunk tion in einem Vorverstärker. Verschiedene Schaltkreise für die Rückführung der Ausgangssignale auf die Eingangsstufe über das integrierende Netzwerk wurden entwickelt, um diese Idee zu ver wirklichen. Jedoch bildet das integrierende Netzwerk in dem Vorverstärker nur ein Hochpaßfilter erster Ordnung. Das Hoch paßfilter erster Ordnung mit einer Abschwächung von -20 dB/ Dekade ist nicht gut genug, um die niederfrequenten Interfe renzen hoher Intensität zu unterdrücken. Um eine bessere Unter drückung unerwünschter Interferenz zu erzielen, wird in dieser Erfindung ein neuer Schaltkreis für die Verwirklichung eines differentiellen Hochpaßfilters zweiter Ordnung vorgetragen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein differentielles Hochpaßfilter zweiter Ordnung nach der vorliegenden Erfindung enthält einen Differenzverstärker und einen Rückführungsverarbeitungsschaltkreis. Der Differenzver stärker enthält einen Operationsverstärker OP₁ und vier Wider stände R₃, R₄, R₅ und R₆, wobei R₄/R₃ = R₆/R₅ ist. Eine Eingabe spannung V₁ wird über den Widerstand R₅ an den invertierenden Anschluß (-) des Operationsverstärkers OP₁ geführt. Eine andere Eingabespannung V₂ wird über den Widerstand R₃ an den nicht invertierenden Anschluß (+) des Operationsverstärkers OP₁ geführt. Die Ausgabe des Operationsverstärkers OP₁ wird über den Widerstand R₆ an den invertierenden Anschluß (-) des Operations verstärkers OP₁ zurückgeführt. Der Rückführungsverarbeitungs schaltkreis enthält einen Operationsverstärker OP₂, zwei Wider stände R₁ und R₂ und zwei serielle Kondensatoren C₁ und C₂. Die Ausgabe des Operationsverstärkers OP₂ wird über die zwei seriel len Kondensatoren C₁ und C₂ an den invertierenden Anschluß (-) des Operationsverstärkers OP₂ zurückgeführt, und der Ausgang ist über den Widerstand R₄ mit dem nicht-invertierenden Anschluß des Operationsverstärkers OP₁ verbunden, und der nicht-invertierenden Anschluß des Operationsverstärkers OP₂ ist auf Masse gelegt. Der invertierende Anschluß des Operationsverstärkers OP₂ ist über den Widerstand R₁ mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP₁ verbunden. Die zwei seriellen Kondensatoren C₁ und C₂ sind mit ihrem Mittelanschluß mit einem Anschluß des Widerstands R₂ verbunden, dessen anderer Anschluß auf Masse gelegt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorstehende und andere Ziele, Aspekte und Vorteile werden aus der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausfüh rungsformen der Erfindung besser verstanden werden, mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und in denen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines differentiellen Hochpaßfilters zweiter Ordnung zeigt, das nach der vorliegenden Erfindung kon struiert ist;

Fig. 2 ein Frequenz/Spannungsdiagramm ist, das eine Simula tion der Frequenzantwort des in Fig. 1 gezeigten differentiellen Hochpasses zweiter Ordnung zeigt, wobei die differentielle Ein gabe V₂-V₁ = 1 V und die -3 dB-Frequenz f₀ = 100 Hz ist;

Fig. 3 ein Frequenz/Verstärkungsdiagramm ist, das eine Simu lation der Frequenzantwort des in Fig. 1 gezeigten differentiel len Hochpasses zweiter Ordnung zeigt, wobei die niederfrequente Abschwächung -40 dB/Dekade ist;

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines differentiellen Hochpaßfilters zweiter Ordnung nach der vorliegenden Erfindung zeigt, das mit einem Meßverstärker verwirklicht ist;

Fig. 5 Testergebnisse des in Fig. 4 gezeigten differentiellen Hochpaßfilters zweiter Ordnung zeigt, wobei das Signal (a) ein Eingangssignal mit V₁ = 100sin2π500t mV, das Signal (b) das andere Eingangssignal mit V₂ = 100sin2π30t mV und das Signal (c) die Ausgangsspannung ist, die dargestellt werden kann als -100sin2π500t mV; und

Fig. 6 ein Frequenz/Spannungsdiagramm ist, das die Frequenz antwort des in Fig. 4 gezeigten, differentiellen Hochpasses zweiter Ordnung zeigt.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In der vorliegenden Erfindung wird ein differentieller Hoch paß zweiter Ordnung offengelegt, der einen Differenzverstärker (1) und einen Rückführungsverarbeitungsschaltkreis (2) enthält, wie in Fig. 1 gezeigt.

Der Differenzverstärker (1) enthält einen Operationsverstär ker OP₁ und vier Widerstände R₃, R₄, R₅ und R₆, wobei R₄/R₃ = R₆/R₅ ist. Die Widerstände R₅ und R₃ sind mit dem invertierenden Anschluß (-) bzw. dem nicht-invertierenden Anschluß (+) des Operationsverstärkers OP₁ verbunden, so daß eine Eingabespannung V₁ in der Lage ist, dem invertierenden Anschluß (-) des Opera tionsverstärkers OP₁ über den Widerstand R₅ zugeführt zu werden, und eine andere Eingabespannung V₂ in der Lage ist, dem nicht invertierenden Anschluß (+) des Operationsverstärkers OP₁ über den Widerstand R₃ zugeführt zu werden. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP₁ ist über den Widerstand R₆ mit dem invertierenden Anschluß (-) des Operationsverstärkers OP₁ ver bunden, um eine Rückführungskonfiguration zu bilden. Eine Aus gabespannung V₀, die von dem Differenzsignal V₂-V₁ resultiert, wird so am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP₁ erhalten.

Der Rückführungsverarbeitungsschaltkreis (2) enthält im Wesentlichen einen Operationsverstärker OP₂, zwei Widerstände R₁ und R₂ und zwei Kondensatoren C₁ und C₂, wobei die zwei Kondensa toren C₁ und C₂ miteinander über einen leitenden Draht in Serie verbunden sind. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP₂ ist über die zwei seriellen Kondensatoren C₁ und C₂ mit dem invertierenden Anschluß (-) des Operationsverstärkers OP₂ verbun den, um eine Rückführungskonfiguration zu bilden, und ist auch über den Widerstand R₄ mit dem nicht-invertierenden Anschluß des Operationsverstärkers OP₁ verbunden, und der nicht-invertierenden Anschluß (+) des Operationsverstärkers OP₂ ist auf Masse gelegt. Ein Anschluß des Widerstands R₂ ist mit dem leitenden Draht ver bunden, der die zwei seriellen Kondensatoren C₁ und C₂ verbindet, und sein anderer Anschluß ist auf Masse gelegt. Der invertie rende Anschluß (-) des Operationsverstärkers OP₂ ist über den Widerstand R₁ mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP₁ verbunden.

A. Übertragungsfunktion

Die Struktur des vorgeschlagenen, differentiellen Hochpasses zweiter Ordnung, wie in Fig. 1 veranschaulicht, enthält zwei Operationsverstärker, zwei Kondensatoren und sechs Widerstände. Nach einigen Umstellungen wird die Übertragungsfunktion F(S) gegeben durch

wobei
Q ein Qualitätsfaktor ist;
ω₀ ² die -3 dB-Frequenz ist;
K die differentielle Verstärkung ist;
V₀ die Ausgangsspannung des differentiellen Hochpaß filters zweiter Ordnung ist;
V₁ und V₂ die Eingangsspannungen sind;
S der Laplace-Parameter ist;
R₁ und R₂ Widerstände sind; und
C₁ und C₂ Kondensatoren sind.

Es ist offensichtlich, daß das vorgeschlagene, in Fig. 1 gezeigte Filter ein Hochpaßfilter zweiter Ordnung für differen tielle Signale mit einem Verstärkungsfaktor ist. Aus den Glei chungen (3) und (4), der -3 dB-Frequenz und dem Qualitätsfaktor des Filters ergibt sich

B. Entwurfsprozedur

Wenn die gewünschten Spezifikationen von ω₀ und Q gegeben sind, können die passiven Komponenten durch die folgenden Schritte bestimmt werden:
Schritt 1: Wahl der passenden Kapazitäten für C₁ und C₂;
Schritt 2: Berechnung des Widerstands von R₁ durch die Gleichung:

Schritt 3: Berechnung des Widerstands von R₂ wie folgt:

Die Entwurfsprozedur ist sehr einfach und leicht zu verwirk lichen. Es ist nicht notwendig, die schwierigen quadratischen Gleichungen zu lösen, die gewöhnlich zu Lösungen mit komplexen Werten oder zu negativen Lösungen führen.

C. Verwirklichung mit Meßverstärker

Wie in Fig. 4 gezeigt, kann der in Fig. 1 gezeigte Differenz verstärker (1) mit einem Meßverstärker AD620 (Analog Devices, U.S.) verwirklicht werden. Zusätzlich zur Funktion der Hochpaß filterung zweiter Ordnung behält das vorgeschlagene, in Fig. 4 gezeigte Filter die Haupteigenschaften des Meßverstärkers, z. B. niedriges Rauschen, hohe Eingangsimpedanz, hohes CMRR (common mode rejection ratio, Gleichtaktunterdrückung), u.s.w. Die Technik dieser Erfindung, ein differentielles Hochpaß filter zweiter Ordnung, kann mit einem monolithischen Integrier ten Schaltkreis erreicht werden, der als ein Vorverstärker mit einem Hochpaßfilter zweiter Ordnung arbeitet.

D. Ergebnisse der Computer-Simulation

Um die Machbarkeit dieser Erfindung, ein differentielles Hochpaßfilter zweiter Ordnung, zu demonstrieren, wurde eine Computer-Simulation mit Pspice-Software durchgeführt und wie folgt beschrieben:
Es ist gegeben: der gewünschte Qualitätsfaktor Q = 0,707, die -3 dB-Frequenz f₀ = 100 Hz, die Kondensatoren C₁ = 148 nF und C₂ = 123 nF, die zwei Widerstände von R₁ und R₂ können nach den Schritten 2 und 3 der Entwurfsprozedur berechnet werden und sind R₁ = 16,755 kΩ, R₂ = 8,31 kΩ. Unter der Annahme der Eingangs spannungen V₁ = 1 V (Wechselstrom) und V₂ = 2 V (Wechselstrom) und der Widerstände R₃ = R₄ = R₅ = R₆ = 10 kΩ, wurde die Frequenz antwort des vorgeschlagenen, in Fig. 1 abgebildeten, differen tiellen Hochpaßfilters zweiter Ordnung ermittelt und in Fig. 2 bzw. Fig. 3 mit Volt bzw. Dezibel (dB) gezeigt.

Die Einheiten der horizontalen und vertikalen Achsen in Fig. 2 sind Hertz (Hz) bzw. Volt. Die Ausgangsspannung ist weniger als 0,707 V, falle die Frequenz kleiner als 100 Hz ist, und die Ausgangsspannung nimmt ab, wenn die Frequenz abnimmt. Wenn die Frequenz größer als 200 Hz ist, ist die Ausgangsspannung nahezu 1 V. Es ist offensichtlich, daß Fig. 2 eine typische Frequenz antwort eines Hochpaßfilters zeigt.

Die Einheiten der horizontalen und vertikalen Achsen in Fig. 3 sind Hertz (Hz) bzw. Dezibel (dB). Die Leistung der niederfre quenten Unterdrückung wird durch eine Abschwächung von -40 dB/ Dekade demonstriert. Die Ergebnisse der Simulation verifizieren die theoretische Analyse und demonstrieren die Anwendbarkeit des in Fig. 1 vorgeschlagenen, differentiellen Hochpaßfilters zwei ter Ordnung.

E. Ergebnisse praktischer Tests

Der in Fig. 1 abgebildete Schaltkreis wurde mit einem Meß verstärker AD620 verwirklicht, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Werte der passiven Elemente waren dieselben wie die in der obigen Simulation benutzten (Qualitätsfaktor Q = 0,707, -3 dB-Frequenz f₀ = 100 Hz).

Fig. 5 zeigt die Testergebnisse des in Fig. 4 gezeigten, differentiellen Hochpaßfilters, wobei das Signal (a) eines der Eingangssignale V₁ = 100sin2π500t mV; das Signal (b) das andere Eingangssignal V₂ = 100sin2π30t mV und das Signal (c) das Aus gangssignal ist, das durch -100sin2π500t mV mit einer kleinen sinusförmigen Überlagerung von 30 Hz dargestellt werden kann. Aus Fig. 5 kann erkannt werden, daß das sinusförmige Signal (Signal (b)) mit der Frequenz von 30 Hz im Wesentlichen besei tigt worden ist, und daß die Phase des sinusförmigen Signals (Signal (a)) am Ausgangsanschluß des Filters umgekehrt worden ist (Signal (c)). Die Zeitunterteilung ist 10 ms/Teilung und die Amplitudenskala ist 100 mV/Teilung.

Fig. 6 ist die Frequenzantwort des vorgeschlagenen, in Fig. 4 gezeigten, differentiellen Hochpaßfilters zweiter Ordnung. Die differentiellen Eingangssignale sind V₂-V₁ = 100sin2πft mV, wobei f die Frequenz und t die Zeit ist. Die Testfrequenz f wurde zwischen 10 Hz und 1000 Hz gewählt, und die Testergebnisse werden durch das Symbol "o" dargestellt. Es ist klar, daß die Ausgangsspannung abnimmt, wenn die Testfrequenz abnimmt. Die Einheiten der horizontalen und vertikalen Achsen in Fig. 6 sind Hertz (Hz) bzw. dB. Die in Fig. 6 gezeigte Frequenzantwort der Verwirklichung stimmt mit der in Fig. 2 gezeigten Computer-Simu lation überein.

Aus dem obigen kann leicht verstanden werden, daß die in Fig. 1 und 4 gezeigten Filter die Funktionen einer Hochpaßfilterung zweiten Grades und einer differentiellen Verstärkung haben. Das differentielle Hochpaßfilter zweiter Ordnung, das nach der vorliegenden Erfindung konstruiert wird, kann als ein Ein- Chip-IC oder als Teil irgend eines Signalverarbeitungs-IC herge stellt werden.

Nachdem so die vorliegende Erfindung beschrieben wurde, die nun als geeignet für ein Briefpatent angesehen wird, wird sie in den folgenden, angefügten Ansprüchen vorgestellt.

Claims

1. Ein differentielles Hochpaßfilter zweiter Ordnung, das einen Differenzverstärker und einen Rückführungsverarbeitungsschalt kreis enthält,
wobei der Differenzverstärker einen Operationsverstärker OP₁ und vier Widerstände R₃, R₄, R₅ und R₆ enthält, und wobei R₄/R₃ = R₆/R₅ ist, die Widerstände R₅ und R₃ mit dem invertierenden Anschluß (-) bzw. dem nicht-invertierenden Anschluß (+) des Ope rationsverstärker OP₁ verbunden sind, so daß eine Eingangsspan nung V₁ über den Widerstand R₅ dem invertierenden Anschluß (-) des Operationsverstärker OP₁ und eine andere Eingangsspannung V₂ über den Widerstand R₃ dem nicht-invertierenden Anschluß (+) des Operationsverstärker OP₁ zugeführt wird, und wobei der Ausgang des Operationsverstärker OP₁ über den Widerstand R₆ dem invertie renden Anschluß (-) des Operationsverstärker OP₁ zugeführt wird; und
wobei der Rückführungsverarbeitungsschaltkreis einen Opera tionsverstärker OP₂, zwei Widerstände R₁ und R₂ und zwei serielle Kondensatoren C₁ und C₂ enthält, die miteinander in Serie mittels eines leitenden Drahtes verbunden sind, wobei die Ausgabe des Operationsverstärker OP₂ über die zwei seriellen Kondensatoren C₁ und C₂ auf den invertierenden Anschluß (-) des Operationsverstär kers OP₂ zurückgeführt wird, und über den Widerstand R₄ mit dem nicht-invertierenden Anschluß des Operationsverstärkers OP₁ ver bunden ist, und der nicht-invertierende Anschluß (+) des Opera tionsverstärkers OP₂ auf Masse gelegt ist, und wobei der inver tierende Anschluß des Operationsverstärkers OP₂ über den Wider stand R₁ mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP₁ verbunden ist, und wobei ein Anschluß des Widerstands R₂ mit dem leitenden Draht verbunden ist und sein anderer Anschluß auf Masse gelegt ist.

2. Ein differentielles Hochpaßfilter zweiter Ordnung, das einen Meßverstärker und einen Rückführungsverarbeitungsschaltkreis enthält,
wobei der Rückführungsverarbeitungsschaltkreis einen Opera tionsverstärker OP₂, zwei Widerstände R₁ und R₂ und zwei serielle Kondensatoren C₁ und C₂ enthält, die miteinander in Serie mittels eines leitenden Drahtes verbunden sind, wobei die Ausgabe des Operationsverstärker OP₂ über die zwei seriellen Kondensatoren C₁ und C₂ auf den invertierenden Anschluß (-) des Operationsverstär kers OP₂ zurückgeführt wird, und über den Widerstand R₄ mit einem Referenzanschluß des Meßverstärkers verbunden ist, und der nicht-invertierende Anschluß (+) des Operationsverstärkers OP₂ auf Masse gelegt ist, und wobei der invertierende Anschluß des Operationsverstärkers OP₂ über den Widerstand R₁ mit dem Aus gangsanschluß des Meßverstärkers verbunden ist, und wobei ein Anschluß des Widerstands R₂ mit dem leitenden Draht verbunden ist und sein anderer Anschluß auf Masse gelegt ist.