基于UAF42通用滤波芯片的50Hz陷波器设计

第27卷　第8期2006年8月

仪器仪表学报

Chinese Jour nal of Scientific Instrument

Vo l . 27No . 8A ug . 2006

基于UAF42通用滤波芯片的50Hz 陷波器设计

颜　良　陈儒军

12

*

11, 2

　刘　石　陈一平

11

(中南大学信息物理工程学院　长沙　410083)

(中南大学信息科学与工程学院　长沙　410083)

摘要　为了压制工业电源的干扰(如50Hz 干扰), 经常要在输入电路中采用陷波电路。由于传统的双T 陷波电路对元件的精度和对称性要求比较高, 在实际中很难调试。文中介绍的由通用滤波器芯片U A F42构成的50Hz 陷波电路克服了这方面的缺点。实验结果表明:基于U AF 42设计的50H z 陷波器的频率响应达到了设计要求, 具有调试方便、对元件精度要求不高的优点。关键词　陷波器　U A F42　FI L T ER42

中图分类号　T P337　文献标识码　A 　国家标准学科分类代码　510. 10

Design of a 50Hz notch filter using the universal active filter chip UAF42

Yan Liang 　Chen Rujun

12

11, 2

　Liu Shi 　Chen Yiping

11

(School o f I n f o -phy sics and Geomatics Engineering , Central South University , Changsha 410083, China ) (College of In f ormation Science and Engineering , Central South University , Changsha 410083, China )

A bstract 　To suppress the 50H z interfe rence , a no tch filter is needed in pre -stag e circuit. The co nventio nal tw in -T netw o rk requires high -precisio n com po nents and strict sy mmetry , but it is difficult to tune. The 50H z

no tch filter using the universal active filter chip (UAF42) eliminates above disadvantages. The ex periment re -sults show that the 50H z no tch filter using UAF42m eets the desig n requirements. The desig n has the advanta -g es o f easy tuning and low er com po nent tolerance requirement. Key words 　notch filter 　UAF42　FILT ER42

成, 其理论计算和设计都比较成熟, 如图1所示, 就是一

[5]

个采用这种形式的50H z 陷波电路。1　引　　言

　　物探仪器工作频率低, 且一般在野外工作, 易于受外界信号干扰, 特别是在此频率段内受到强烈的干扰源, 如

50Hz 或60Hz 市电电网信号影响。在这种情况下, 虽然很多信号放大装置采用了低噪声前置放大和提高共轭抑制比的多种方法, 但在不同环境中实际测量时, 往往不能完全消除市电电源信号的干扰, 不能达到正常测量的目的。因此, 在仪器信号放大装置中采用陷波器, 消除市电电网电源信号的干扰或其他特定频率信号的干扰, 这是物探仪器(特别是需要接地测量的电法勘探仪器) 普遍采

4]

用的方法[1-。

图1　50H z 双T 陷波电路

其陷波点频率为:　　f N 2πRC

(1)

　　目前广泛采用的对称性双T 阻容有源陷波器, 它一般由一个低通滤波电路和一个高通滤波电路并联起来构

, “十五”(-5()、。

　　Q =

2(2-A u p )

(2)

分别为49. 8H z 和50. 2H z 。

　　对U AF42来说, 这些由BB 公司提供的一个CA D 软件———FILT ER42进行计算, 该软件简化了基于U AF42的设计

[7]

R f

式中:A u p =1。

R 1

　　这类陷波器对称性要求高, 元器件精度要求严格, 否则直接影响陷波频率和Q 值, 因此对制作工艺或筛选器件带来困难, 而且调节起来相当困难, 很浪费设计人员的时间。

。设计人员只要根据具体的电路要求将参数输

入到FILT ER42中, 该软件就可以计算出相应的元件值, 并且可以仿真滤波器的输出效果。

　　陷波频率为49. 8Hz 时, 软件计算用的参数选择为:陷波点为49. 8H z , 阻带宽度为15Hz , 阶数为2, 输入方式为同相输入。

　　陷波频率为50. 2Hz 时, 软件计算用的参数为:陷波点为50. 2H z , 阻带宽度为15Hz , 阶数为2, 输入方式为同相输入。最后计算结果如表1所示。

表1　电路参数计算结果

f N 49. 850. 2

BW 1515

(H z ) (Hz )

Q 3. 323. 347

R F 1

RF 2

R Q

Rz 1

R z 2

Rz 31010

(M Ψ) (M Ψ) (k Ψ) (k Ψ) (k Ψ) (k Ψ) 3. 1963. 19610. 783. 0123. 0123. 17

3. 17

10. 652. 9882. 988

2　UAF42器件简介

　　陷波器的设计人员最困难的在于得到严格容差、低损耗、匹配的电容。BB (Burr -Brow n ) 公司的U AF42通用有源滤波器克服了这方面的缺点, 它可广泛应用于高通、低通和带通滤波器设计中, 采用典型的状态变量(state -variable ) 模拟结构, 内部集成了一个反向放大器和两个积分器。该积分器包括1000pF (±0. 5%) 的电容, 因此较好地解决了有源滤波器设计中获得低损耗(low -loss ) 电容的问题

[6]

。

　　两个陷波器都采用软件提供的电路模型PP4, 其电路模型如图3所示。2　　ωn R 1R F 1R F 2C 1C 2

(3)

　　U AF42具有以下特点:

　　(1) 通用性强, 可根据需要设计成高通、低通、带通和

带阻滤波器;

　　(2) 设计简单, BB 公司还为U AF42专门设计了一个软件, 从而可以方便灵活地设计各种不同类型的滤波器; 　　(3) 具有高精度频率和高Q 值; 　　(4) 片内集成有1000pF ±0. 5%的电容; 　　(5) 频率范围:0～100kHz 。它的内部原理图如图2所示

。

　　此电路模型PP4采用同相输入方式, 图3中C1A =

9]

C2A , 电路的计算方程如下[8-(此电路没有用到的R G =

R 3=50k ) :

R 4(R 3+R Q ) 1R 3R Q R 2R F 1C 1

　　Q R 2R 1R F 2C 21R 1电路图如图4所示。

1/2

(4)

具体电路中的外围元件参数由表1中的计算结果给出,

4　50Hz 陷波实际电路的调试

　　按照图4所示电路进行搭建, 测试采用频率特性分析仪, 系天津市中环电子仪器公司生产, 型号是T D4011型。

　　因为用了两级陷波电路, 在电路中先对49. 8Hz 电路进行调试, 然后对50. 2Hz 进行调试, 最后两级合起来看情况调试, 下面是加了屏蔽的测试结果。

图2　UA F42内部原理图

　　按照设计的参数搭起来的电路由于元件误差达不到设计要求, 所以进行了调试。由式(3) 和式(4) 可知, 在外接元件中, 陷波器的陷波点只与RF 1和RF 2有关, 所以在调试中各级只要调图4中的可变电阻R 1和R 2就可以了, 最后通过调试得出的参数取值如下:对于49. 8Hz , RF 1=3. 1225M , RF 2=3. 1227M ; 对于50. 2Hz , RF 1=33. ) , 。

3　UAF42在50Hz 双T 陷波中的应用

　　在实际使用时, 市电频率往往有偏差, 而且干扰强度也随使用环境不同而变化。因此采用两片UAF42进行两级双T 陷波, 带宽都是15Hz , 二阶电路, 陷波中心频率

图3　P P4

电路模型

图4　基于U A F42芯片两级50Hz 陷波电路图

可能是由于芯片和外接电阻误差引起的。先调49. 8Hz , 调节得出的频率响应图如图5所示。

　　图中包括幅频/相频特性曲线, 从图中可以看出, 它的阻带宽度为14. 5Hz , Q 值为3. 43, 中心频率大概是49. 798Hz 。在此频点上衰减了32. 9dB (通带增益为40dB )。　　50. 2Hz 时的频率响应如图6所示。它的阻带宽度为15. 7Hz , Q 值为3. 2, 中心频率是50. 202Hz , 此频点上衰减了30. 7dB (通带增益为40dB ) 。

看出, 在50. 002H z 的地方, 它衰减了62. 8dB (通带增益为40dB )。两边的最低点分别是上面的49. 798H z 和50. 202Hz , 阻带宽度为23. 5Hz , Q 值是2. 13, 与仿真设计要求误差不大, 大致相符合。

　　对于50H z 的陷波滤波电路, 屏蔽措施是很重要的, 在调试过程中开始没有采取屏蔽措施, 结果在49～50. 7Hz 的区间干扰很严重, 特别是相位干扰尤为突出, 而且相频/幅频曲线很不平滑, 证明外界50Hz 工频对电

用不同的电源有什么影响, 用了12V 的电瓶、微机电源、DC -DC 转换电源, 最后把滤波电容去了(DC -DC 中) 。结果从测量结果看发现对它的影响是很小的, 如果对上面采取多次测量取平均, 它们应该能看作是不变的。

5　结　　论

　　(1) 50Hz 陷波电路在需要接地测量的物探仪器中必不可少, 为了压制干扰一般都要采用两级50Hz 陷波器串联, 对50Hz 陷波电路要求较高, 要求在电力线频率波动的情况仍然有较好的陷波效果。

　　(2) 仿真和试验结果表明, 用UAF42器件设计的50Hz 陷波器具有双T 陷波电路同样的性能, 可用在实际

图5　49. 8Hz 陷波点幅频/

相频响应图

的物探仪器和其他需要50Hz 陷波的仪器中。

　　(3) 用UA F42内部集成了高精度电容, 用其设计的50Hz 陷波器具有调试方便、对元件精度要求不高的优点。

　　(4) T I 公司的通用有源滤波器U AF42本身具有集成度高、可靠性高和设计灵活的特点, 利用生产厂家提供的计算机辅助设计软件还可以提高U AF42有源滤波器的设计效率。　　参考文献

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图6　50. 2Hz 陷波点幅频/

相频响应图

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图7　两级50H z 陷波幅频/相频响应图

　　用上面实际电路测试时, 用不同的电源, 主要是观察

　　颜良　男　1979年5月出生　硕士研究

生　主要研究方向为智能地球物理仪器。E -mail :arliang2003@yaho o. co m. cn