避免馈线干扰的设计方案
发布时间：2010-6-23 14:55
发布者：vinda
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经常会碰到50/60Hz干扰破坏电路和状态。最好的解决办法是防止这种干扰发生。通常的方法是屏蔽，或放置在没有50/60Hz场的位置。下面以惠斯登电桥传感器测量肌肉的收缩率为例来说明防止干扰的方法。 图1示出曾用过的系统。传感器的输出是很小的。用6V电池，其灵敏度因数是5UV/V/gf(1gf或1克力是980达因力)，克-力在0.5和2之间，收缩率脉冲输出为15UV~60UV。电桥是差分输出，所以必须用差分放大器处理。传感器两条输出线用2线缆线屏蔽，经很长距离（大约3.5米）到记录器的差分输入。  实际的差分输入不足真正的差分。它像示波器那样，是一个2通道装置。用通道A和B，使'A-B'输入做为伪差分函数。 尽管缆线是屏蔽的，但在输入放大器中的微小差分会产生共模电压，此电压对记录器来说是一个有效的输入信号。由房间电源线辐射的50/60Hz场导致50/60Hz信号进入传感器电路。对于微小的输入信号，任何50/60Hz都是致命的。 图2示出一种消除A-B伪差分问题的系统，把一个增益100dc差分放大器（CA3140运放）放置在传感器末端，用单芯同轴缆线连接到记录器单端放大器的一个输入。用图2的系统使得50/60Hz完全没有出现。  实际情况不总是能避免50/60Hz信号。此时，必须用滤波方法去掉50/60Hz信号。 假若输入信号允许，则可用高通或低通滤波器。任何信号都有谐波，而这些谐波在滤波器通带内必须减弱。对于最大频率分量20Hz或更低的信号，用低通滤波器衰减50/60Hz信号是足够的。同样，假若信号频率远远高于50/60Hz，由需要高通滤波器。 陷波滤波器。消除频带内不需要频率的通用的方案是陷波滤波器。陷波滤波器的频率响应应示于图3。这种滤波器类似于阻带滤波器，但其在中心频率Fc附近的抑制频带是很窄的。 陷波滤波器的带宽BW是两个-3dB点间的频率差，以陷波响应外0dB为基准，BW为FH-FL(见图3)。  波滤波器的"锐度"是带宽窄变的量度，用滤波器的'Q'值标定。Q定义为中心频率Fc与带宽的比： Q=Fc/BW (1) 例如，陷波滤波器的中心频率为60Hz，-3dB点频率为58Hz和62Hz（4Hz带宽），则Q为60/4=15。 陷波滤波器不能去掉全部不需要的信号，但能抑制其大小。陷波深度确定抑制度，共定义是电路在陷波外频率F06的增益与陷波频率的增益之比。 假定在两个频率的相等输入信号电平可以检测（注意，大多数信号发生器的输出电平随频率改变而变化），则从两个不同频率的滤波器输出电压可以计算陷波深度： 陷波深度=20logVfc/V06 (2) 双T形陷波滤波器网络。陷波滤波器最流行的一种形式是双T形滤波器网络（见图4）。  它由两个T形网络C1/C3/R2和R1/R3/C2构成。如果电路设计和元件选择合适，用双T形结构可以很容易地达到-30~-50dB陷波深度。良好的匹配和元件选择可使抑制达到-60dB。 网络的中心陷波频率为： 可用下列关系式简化上式： C1=C3=C R1=R3=R C2=2C R2=R/2 其频率方程简化为： Fc=2πRC （4） 上式中F为Hz, R为Q，C为F。 在计算值时，一般慎重地选择电容值，然后计算所需的电阻值。这样做的原因有二，有很多标准电阻值可选；可以很容易地用电位器调节电阻值，而调节电容器比较困难。 这种滤波器的一个问题是：陷波深度是所含元件两个因素的函数。其一，元件值非常接近计算值；其二，它们紧密地搭配在一起。例如，用0.15UF和17684元件值设计一个60Hz陷波滤波器，可选择高精度0.15UF电容器，而电阻器是18k，5％金属膜电阻。在60Hz其陷波深度仅10dB，但在58Hz则为48dB。失配导致陷波频率显著的频偏。 用双T形思路可以设计可调频率的陷波滤波器，但没有一个是可接受的有用方案。实现这种方案需要3个联动的、匹配的电位器或3个联动的电容器。这样其中一个变化数值会引起其他2个值的变化，从而引起跟踪问题。 有源双T形陷波滤波器。用有源器件如运放可以实现有源频率选择的滤波器。有源滤波器电路（图5和图6）中"双T形网络用简化的框图表示，它有三个端口：'A'，'B'，和'C'。在图5中双T形网络与一个任选输入缓冲放大器和一个强制性的输出缓冲放大器级联。这些放大器是用做非倒相运放跟随器电路。   用缓冲放大器的目的是与外界隔离网络。对于低频应用，运放可选741，1458或类似型号。对于高频应用，即截止频率高于3KHz, 可用非频率补偿器件，如CA-3130或CA-3140。在图5中，双T形网络的端口C是连接到输出缓冲放大器输出端的公共点。电路中的反馈网络由电阻器Ra和电容器Ca组成。双T形网络中的R和C值由方程式4结出；而Ra和Ca值由下式给出： Ra=2RQ (5) Ca=C/Q (6) 下面举例说明滤波器设计，设计60Hz陷波滤波器，Q为8. 1.选择C值为0.01uF 2.从面给出的方程式计算R值：265392 3.计算R/2:265392/2=132696 4.C2=2C=(2)(0.01uF)=0.02Uf 5.选择Ra=2QR=(2)(8)(265392)=4.24K 6.选择Ca=C/Q=0.01uF/8=0.0013uF 根据上面给出的元件值就可设计出陷波滤波器。 图6所示电路是一个可变Q控制的陷波滤波器。在此电路中，一个非倒相跟随值可以从1到50变化。器IC3连接在Ra和Ca所处的反馈回路中。陷波Q由10k电位器R2设置。Q陷波滤波器的另一种方式示于图7。此电路有时称之为回转陷波滤波器。  陷波频度由下式给出： 方程式（7）可简化为： 假若满足下列条件： R3/R1=R2/Ra+Rb=R2/2R 则可以用CaCbRa任一元件调谐滤波器。大多数情况，Ca可变而Cb是大数值固定电容器。 电路中1500pF可变电容器可用并联电容器实现，如用一个100pF微调电容器与1000pF和470pF电容器并联构成所需的1500pF电容。 当用任何滤波器去除一个波形的成分时必须小心。假若滤波器不是高Q型的，则会有很多的信号成分被去掉。在医学心电图系统中，信号成分从0.05到100Hz，而60Hz正好在此范围的中心。在心电图系统中，引线必须连接到人体上，在人体的末端不是屏蔽的。但对来自60Hz的干扰是有保证的，除非发生特殊情况。但滤波会去掉有助于医生做心电图的信号成分，在万不得以的情况才用滤波。在医学心电图仪放大器中，滤波器通常是开关型的，这样在电路中可以用滤波器也可以不用它。 |
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