调制解调式双二次型滤波器

摘 要：提出了一种调制解调式双二次（托氏电路）滤波器，它可直接对以方波为载波的基带信号（方波的幅度信号）进行带通滤波、低通滤波处理。尤其，作为基带信号的带通滤波可在载波频率上实现级联运用。

关键词：高制解调式，双二次滤波器，同步积分器，基带信号

 

 

1 引言

本文提出一种新型双二次滤波器电路（托氏电路Tow-Circuit）-调制解调式滤波器电路。它可直接对以方波为载波的基带信号（方波的幅度信号）作低通滤波或带通滤波处理，而不必在解调后专门对基带信号进行滤波处理。尤其作为基带信号的带通滤波，可在载波频率上实现级联运用，抑制噪声与干扰的能力更强，性能更好。实践表明这是检测微弱信号十分有效的电路。

2 双二次型（Tow-Circuit）滤波器简介

双二次型有泊滤波器由“泄漏”积分器、积分器、反相器等基本单元部件构成（图1）。其特点是从不同的端输出可得低通滤波和带通滤波，性能优良，稳定性好，调节方便。由图1可得以下关系式

        如果输出端改在V1处，则

3 调制解调式双二次型滤波器

在信号检测技术中，常对缓变信号进行斩波调制，即采用以方波为载波的调制形式。这样，一方面可克服接收电路对直流缓变信号放大处理过程中的零点飘移的影响，又能通过如对载波的选频放大或锁定放大等方法有效地抑制干扰与噪声，能检测微弱信号。要获取不同的信息，需检测调制在方波载波上的基带信号（方波的幅度信号）中的不同频率分量。在对载波进行带通滤波时，已对基带信号进行相应的低通滤波。但如果是要检测基带信号中某一频率分量或者对基带信号作带通滤波处理时，就必须先解调为基带信号后再进行。

作为一个例子，我们讨论探测混在非金属材料中金属杂物的情况（如清棉金属探除器），要检测的材料以一定速度v通过探头，探头中心位置为电磁场信号发射线圈，给它加上方波励磁电流，在它前后对称放置一对接收线圈，它们反相串接，理想状态是两接收线圈在没有金属杂物在探头内时信号相互抵消；当有金属杂物（或导磁性杂物）也以同样的速度通过探头时，由于金属的涡流作用或导磁率变化，两接收线圈接收的方波信号不相等，产生差动信号。由于是以速度v通过探头，这个信号变化率由v决定，波形接近单个正弦波，它的绝大部分频率分量集中在频谱密度曲线基频所在的主峰内（主峰频宽近似为物体通过探头时间的倒数）。因此，接收的方波载波上调制了由v决定的某一频率为中心的幅度信号频带。只要检测出基带信号中以这个频率为中心的频带信号就可探测出是否混有金属杂物。探头的不对称及随环境的缓变产生接收信号的不平衡量，即是基带信号中的直流缓变分量。目前的做法是，先采用载波频率为中心频率的带通滤波放大，再解调出基带信号作带通滤波放大。这样，在作载波选频放大时，基带信号中的直流与缓变低频分量会被充分放大，往往会使载波选放级过载，为此，一般还必须加补偿信号加以平衡。并且对每个探头要分别调整平衡量。但其中的缓变分量则无法平衡掉，只能降低灵敏度。如果我们能在载波频率上直接对基带信号进行带通滤波放大处理（带宽如前所述），则不会产生以上情况，掏干扰与噪声的能力更强，灵敏度可进一步提高。

 

 

 

本文提出的调制解调式双二次型滤波器同时起到载波带通选放、解调、基带带通放大的功能，电路简单，只是在原来的双二次型滤波器电路上增加几个电子开关而已（图2）。原来的“泄漏”积分器变成同步积分器，它不需要外加补偿信号，静态时载波带通放大器即同步积分器输出信号趋于零，并且可在载波频率上实现对基带信号带通滤波放大的级联（如图3所示）。

 

 

 

在图2中，已将原反相器省去。只要调制器、解调器的开关相位如图所示即可。 

设载波方波频率为wR，则图中同步积分器、调制器、解调器的开关频率也都是wR（如需对相位选择，可选与载波方波不同的相位）。

由于同步积分器电容两极的切换与载波方波同步，所以它对wR方波载波的幅度信号的滤波作用为，积分器是解调后进行的，对基带信号的作用为所以，整个环路对基带信号的作用与原来的双二次型完全一样，只是频率的零点搬移到wR处而已。从A点输出，是对基带信号作带通滤波放大，中心频率增益。且输出仍是以wR方波的载波的信号。静态时，输出近似为零。可将它进一步输入后级相同的调制解调式双二次型滤波器进一步滤波放大（见图3）。最后基带信号中的w0频率信号（已解调）可从后一级电子开关K1处C点通过简单平滑滤波后取出。两级级联后，等效对基带信号的传递函数为

从图2的B点输出，则是对基带信号的二阶低通滤波，输出是已解调的基带信号中的低频分量。静态时，同步积分器输出信号趋于零，它总是放大小信号。它的优点是增益稳定，精度高，可在许多检测仪器中作为一个性能优良的滤波放大解调处理电路。例如可作为在方波激励的电磁流量计中的接收电路。

我们研制的插入式电磁流量计中就采用了这个电路（见图4）。下面对它作简单介绍。

插入式电磁流量计的探头必须很小，激磁铁芯线包，不锈钢电极和引线都密封在一个很小的壳体内，线包线径0.1mm，激磁电流不能超过20mA。这就要求接收转换电路有十分高的灵敏度与抗干扰能力（干扰主要是50Hz工频）。

激磁采用对称方波电流源，频率50/4=12.5Hz，接收电路第一级采用高输入阻抗和高共模抑制比的仪用放大器AD620，它对共模性的工频干扰有很强抑制。增益稳定，完全由电阻决定，Rg=5.1kΩ，则增益大约为20dB。第二级采用调制解调式双二次型滤波器对方波的幅度信号即流量信号起二阶低通滤波作用，可以根据不同的要求选择参数和类型。又由于同步积分器对载波有很强的选频选相能力，而方波载波频率为50/4Hz，对50Hz干扰也有很强的抑制。这两级对工频的抑制再加上采用浮置地的措施，工频干扰基本消除。在图4中，流量信号从积分器输出端取出，同时另外一路通过R14、R15分压（分压系数1/300）由R18引入同步积分器，R18/R5=10，所以放大倍数为3000，大约70dB，加上AD620的20dB，共90dB。实际测量，对应于1m/s的流速信号输出电压在1V以上。

在此电路中，如前所述同步积分器输出信号趋于零，线性好。实际测量整机的非线性误差小于1%。插入式电磁流量计价格与管道口径无关，在大口径时，有极大的价格优势，并且安装维护方便，费用比管道式小得多，在污水、化工流体、浆料、饮料等流量测量方面，目前美国等地已有广泛应用。

作为基带信号的带通滤波器，图3的电路已应用在我们研制的交流励磁型服装断针检测机中，样机的性能指标达到了日本技术制造的同类产品的水平，且造价低，重量轻，不用进口组件。必须注意的是，由于是交变磁场，铝或铜（衣服上的拉练、扣子等）会产生涡流，也会产生信号，所以要增加一个能区分金属中铝或铜铁的电路，但可省去原来对铝等材料的消磁工序。限于篇幅，不再详述。

 

参考文献

 

1 Lam.H.Y-F著，冯橘云等译.模拟和数字滤波器设计与实现.北京：人民邮电出版社，1985

2 方志豪.晶体管低噪声电路.北京：科学出版社，1984

3 夏敖敖.消除奇次谐波响应的同步积分器.电测与仪表，1995，8

4 孙淮清.插入式流量计.自动化仪表，1997（18）：11～12