模拟工频梳状陷波器及其调整方法

摘要

本发明涉及一种模拟工频梳状陷波器及其调整方法，工频梳状陷波器，是由输入信号与乘法器的一个输入端连接，工频噪声合成器与乘法器的另一个输入端连接，乘法器通过电阻与放大器的反相输入端连接，运算放大器的反相输入端通过RC并联反馈网络与运算放大器的输出端连接，运算放大器的输出和输入信号分别连接到加法器的两个输入端构成。本发明可以有效抑制微弱信号检测电路中工频及其谐波的干扰，除滤除工频噪声外，对工频谐波也有较大的衰减作用；本发明电路结构简单，衰减频率不受元器件精度和温度影响，衰减频率通过编程进行设置，衰减量及其衰减带宽也可进行调整，以达到最佳的噪声抑制效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种信号检测电路的模拟工频陷波器，尤其是具有多个衰减频带 且衰减特性可调整的模拟工频梳状陷波器及其调整方法。

背景技术

在信号检测领域，工频(我国工频为50Hz)及其谐波电磁场经过电磁感应 在信号检测电路中产生电磁干扰，严重影响了信号检测的效率和精度，是信号检 测电路最主要的干扰源。在检测电路中加入工频陷波器能够滤除工频噪声，有利 于提高信噪比和电路的抗干扰能力，在通信、雷达、医疗设备和地球物理勘探等 领域应用广泛。

工频陷波器可分为数字和模拟两种。数字工频陷波器具有中心频率稳定，易 实现多阻带，和便于调节等优点。但是，数字工频陷波器只能在输入信号转换为 数字量后应用，难以实现实时性。而且，在微弱信号检测中，有用信号淹没在工 频及其谐波噪声中，工频干扰很大时，电路不能进行有效放大，不利于测量微弱 信号。因此，模拟工频陷波器起着无可替代的作用。

常规模拟工频陷波器的方法主要包括：1)使用低通滤波器和高通滤波器串 联，并且高通滤波器的截止频率高于工频，低通滤波器的截止频率低于工频；2) 使用带通滤波器和减法器串联，带通滤波器的中心频率为工频，利用减法器从原 有信号中减去带通滤波器的输出，减法器的输出为工频陷波器的输出；3)双T 工频陷波器，利用双T网络在工频处发生谐振，使工频噪声不能通过。常规模拟 工频陷波器不能实现多阻带衰减，需要通过多级串联滤除多个频率的工频噪声， 电路结构复杂，成本增加；常规模拟工频陷波器衰减频率及其衰减量受电容和电 阻精度影响，调试困难，且衰减频率随温度变化产生漂移，进而导致衰减量恶化。

CN100562765C公开了一种弱信号检测仪中有用信号频带内工频谐波抑 制电路，是利用频率、相位、幅度全面跟踪有用信号频带内的工频谐波，然后利 用DDS产生一个与工频谐波噪声频率、相位、幅度均相同的正弦波，最后在有 用信号中减去DDS产生的正弦波，达到抑制有用信号频带内工频谐波噪声的目 的。该发明只能对有用信号频带内一个频率的工频噪声进行抑制，不能同时对多 个频率的工频噪声进行抑制，当工频谐波的频率、幅度或相位测量不准确时，滤 波效果差，甚至会影响有用信号。

CN101666834A公开了一种抗工频干扰的信号采样方法及系统，首先在输 入的市电交流信号中提取工频信号，通过工频信号对叠加在检测信号上的工频干 扰进行同步跟踪，并产生一个工频同步信号；然后，根据工频同步信号锁定工频 干扰信号的过零相位，在过零相位对输入检测信号进行同步采样。该发明只能对 一个频率的工频噪声进行抑制，不能同时对多个频率的工频噪声进行抑制，该方 法要求在过零点的相位处进行检测，而过零点不易获取，易造成误差，影响信号 检测的准确度。

CN2586170Y公开了一种超导量子干涉仪50Hz工频干扰的消除装置，该 装置包括一个耦合被测信号得到参考信号的电感线圈，电感线圈与一个放大器相 连，放大器与50Hz带通滤波器相连，带通滤波器与一个可将参考信号相位反 相的相位调节器连接，相位调节器与加法器的一个输入端相连，加法器另一个输 入端与超导量子干涉器的反馈环路连接，加法器的输出端与反馈环路的反馈电阻 连接。该发明可以在测量点处，把不需要的干扰信号抵消掉，但只能抑制50Hz 的噪声，不能衰减工频的谐波，而且为了得到参考信号加入了电感线圈，电感线 圈自身也产生噪声，影响测量结果。

CN203502602U公开了一种消除工频谐波干扰的核磁共振探测装置，采用 同一起始点相差半个工频谐波周期的两组核磁共振信号相加，抵消接近工频谐波 噪声，装置由接收线圈与增益可调放大器、滤波器和二级放大器连接，二级放大 器一端连接强度指示，二级放大器另一端连接迟滞比较器，迟滞比较器一端经触 发器与加法器连接，迟滞比较器另一端经延时器与加法器连接，加法器与计算机 连接构成。该装置只能滤除一个频率的工频谐波，滤波效果受延时器的延时精度 影响，当延时不满足半周期条件或发生延时漂移时，工频谐波抑制效果较差。 综上所述，现有技术虽然在一定程度上解决了工频陷波器衰减特性受电阻器和电 容器的精度和温漂影响，但仍不能实现多阻带衰减，需要通过多级串联滤除多个 频率的工频噪声，电路结构复杂，成本增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有模拟工频陷波器的不足，提供一种模拟工频梳状 陷波器，对工频及其谐波均能进行衰减，而且其衰减特性可以调整。本发明的另 一目的是提供一种模拟工频梳状陷波器的衰减频率、衰减量及其衰减带宽的调整 方法。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种模拟工频梳状陷波器，是由工频噪声合成器1经乘法器2和电阻器3 再分别经电阻器6和运算放大器5的负极与加法器8连接，加法器8与乘法器 2连接，运算放大器5的正极与电阻器4连接构成。

工频噪声合成器1是由按键b16经计数器11、分频器13和晶体振荡器10 与数模转换器12连接，按键c17经可编程存储器9与按键a15连接，计数器 11经可编程存储器9和数模转换器12与无源低通滤波器14连接构成。

模拟工频梳状陷波器的衰减频率、衰减量及其衰减带宽的调整方法，包括以 下步骤：

a、设定需要滤除的工频及其谐波频率f₁、f₂、f₃、……、f_m；

b、在采样率f_s＝4f_m的情况下，合成工频噪声信号 n(k)＝cos(2πkf₁/f_s)+cos(2πkf₂/f_s)+cos(2πkf₃/f_s)+……+cos(2πkf_m/f_s)，对 n(k)的幅度进行归一化；

c、断开按键c17，并接通按键a15，使可编程储存器9处于写入状态；

d、断开按键b16，使计数器11的输出端口处于高阻态，将一个周期的工 频噪声信号n(k)通过储存器地址线18和储存器数据线19写入到可编程存储器 9中；

e、断开按键a15，并接通按键c17，使可编程存储器9进入读取状态；

f、设置分频器13，将计数器11的输入时钟设置为f_s；

g、设置计数器11的计数上限为一个周期的工频噪声n(k)的离散点数减一；

h、将数模转换器12的转换速率设置为f_s；

i、将无源低通滤波器14的截止频率设置为0.5f_s；

j、按下按键b16，使能计数器11输出，使可编程存储器9循环输出数据；

k、调节电阻器3的阻值，调整工频梳状陷波器的衰减量；

l、调节电阻器6和电容器7的值，调整工频梳状陷波器的衰减带宽。

有益效果：本发明可有效抑制微弱信号检测电路中工频及其谐波的干扰，是 利用待衰减频率来合成工频噪声信号，并将合成噪声信号与原始输入信号相乘， 相乘得到的调制信号经过反相比例放大器的RC并联反馈网络解调，得到与原始 信号中工频及其谐波噪声幅度相等而相位相反的噪声信号，最后将这些噪声从原 始信号中减去，达到抑制工频及其谐波的目的；本发明电路结构简单，中心频率 不受元器件精度和温度影响，衰减频率通过编程进行设置，衰减量及其衰减带宽 也可进行调整，以达到最佳的噪声抑制效果。

附图说明

附图1是模拟工频梳状陷波器结构框图。

附图2是附图1中工频噪声合成器结构框图。

附图3是心电信号检测仪中模拟工频梳状陷波器的传输特性曲线图。

附图4是核磁共振找水仪中模拟工频梳状陷波器的传输特性曲线图。

1工频噪声合成器，2乘法器，3、4、6电阻器，5运算放大器，7电容器， 8加法器，9可编程存储器，10晶体振荡器，11计数器、12数模转换器，13 分频器，14无源低通滤波器，15，16、17按键，18存储器地址线，19存储 器数据线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

附图1是工频及其谐波梳状陷波器电路原理框图。工频噪声合成器1与乘 法器2的一个输入端连接，输入信号s(k)与乘法器2的另一个输入端连接，则 乘法器输出信号为：

x(k)＝s(k)×v(k),k＝0,1,2,...,f_s/f₁-1

由于v由多个余弦波合成，根据欧拉公式，v使用指数型傅里叶级数表示为：

$v=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{2m}\underset{r=1}{\overset{m}{\Sigma }}[\exp \left({j2\mathrm{\pi f}}_{r}t\right)+\exp \left({-j2\mathrm{\pi f}}_{r}t\right)]$

利用F[s(t)exp(jω₀t)]＝S(ω-ω₀)的频移特性，得

$X\left(\omega \right)=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{2m}\underset{r=1}{\overset{m}{\Sigma }}[S(\omega -2{\mathrm{\pi f}}_r)+S(\omega +{2\mathrm{\pi f}}_r)]$

根据傅里叶变换的性质，对于实信号s，其频谱S(ω)的实部为偶信号，虚部 为奇信号，乘法器2的输出的频谱表示为：

$X\left(\omega \right)=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{m}\underset{r=1}{\overset{m}{\Sigma }}S(\omega -2{\mathrm{\pi f}}_r)$

乘法器2输出端与电阻器3的一端连接，电阻器3的另一端与运算放大器5 的反相输入端连接，电阻器3的电阻为R_i，运算放大器可选用OP27，运算放 大器5的同相输入端通过电阻器4与参考地连接，电阻器的阻值为1kΩ左右， 运算放大器5的反相输入端与电阻器6的一端连接，电阻器6的另一端与运算 放大器5的输出端连接，电阻器6的电阻为R_f，运算放大器5的反相输入端与 电容器7的一端连接，电容器7的另一端与运算放大器5的输出端连接，电容 器的电容为C，根据反相比例放大器的放大倍数公式得到运算放大器5的输出电 压的频谱U(ω)为：

$U\left(\omega \right)=-\frac{R_f}{R_i(1+\mathrm{j\omega }{R}_{f}C)}\frac{V_{\mathrm{ref}}}{m}\underset{r=1}{\overset{m}{\Sigma }}S(\omega -2{\mathrm{\pi f}}_r)$

运算放大器5的输出与加法器8的一个输入端连接，输入信号s(k)与加法 器8的另一个输入端连接，得到总的输出信号的频谱V_o(jω)为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vo}\left(\mathrm{j\omega }\right)=S\left(\omega \right)-\frac{R_f}{R_i(1+\mathrm{j\omega }{R}_{f}C)}\frac{V_{\mathrm{ref}}}{m}\underset{r=1}{\overset{m}{\Sigma }}S(\omega -{2\mathrm{\pi f}}_r)\\ =S\left(\omega \right)-S\left(\omega \right)\frac{R_f}{R_i(1+\mathrm{j\omega }{R}_{f}C)}*\underset{r=1}{\overset{m}{\Sigma }}\frac{V_{\mathrm{ref}}}{m}\delta (\omega -{2\mathrm{\pi f}}_r)\end{array}\right)$

上式中“*”表示卷积运算，最终得到工频及其谐波梳状陷波器电路的传输 特性函数为：

$\left(\begin{array}{c}H\left(\omega \right)=\frac{V_o\left(\mathrm{j\omega }\right)}{S\left(\mathrm{j\omega }\right)}=1-\frac{R_f}{R_i(1+\mathrm{j\omega }{R}_{f}C)}*\underset{r=1}{\overset{m}{\Sigma }}\frac{V_{\mathrm{ref}}}{m}\delta (\omega -2{\mathrm{\pi f}}_r)\\ =1-\frac{R_f}{R_i}\underset{r=1}{\overset{m}{\Sigma }}\frac{V_{\mathrm{ref}}}{m}\frac{1}{[1+j(\omega -2\pi f_r)R_{f}C]}\end{array}\right)$

附图2是工频噪声合成器结构框图，工频噪声合成器1是由晶体振荡器10 通过分频器13与计数器11的时钟输入端相连，晶体振荡器10与数模转换器 12的时钟输入端相连，晶体振荡器分别为计数器11和数模转换器12提供时钟， 按键16与计数器11的使能端相连，控制计数器11运行或终止，计数器11的 输出通过存储器地址线18与可编程存储器9相连，存储器选用16×4096字节 Flash存储器，Flash存储器作为非易失性可编程存储器，断电后编程数据可以 保存，避免在衰减特性不变的情况下的重复编程，计数器11为二进制计数器， 输出的计数值用于读取可编程存储器9中的数据，按键15与可编程存储器9的 写使能管脚连接，按键17与可编程存储器9的读使能管脚连接，分别控制可编 程计数器9的写操作或读操作，可编程存储器9通过存储器数据线19与数模转 换器12相连，控制数模转换器12输出合成的工频噪声，数模转换器12与无 源低通滤波器14相连构成，平滑输出的工频合成噪声，无源低通滤波器可以用 RC低通滤波器。

一种模拟工频梳状陷波器的衰减频率、衰减量及其衰减带宽的调整方法，包 括以下步骤：

a、设定需要滤除的工频及其谐波频率f₁、f₂、f₃、……、f_m，一般情况下， f₁为50Hz，f_m为需要滤除的最高次工频谐波。

b、在采样率f_s＝4f_m的情况下，合成工频噪声信号 n(k)＝cos(2πkf₁/f_s)+cos(2πkf₂/f_s)+cos(2πkf₃/f_s)+……+cos(2πkf_m/f_s)，对 n(k)的幅度进行归一化：

$n\left(k\right)=\frac{1}{m}\underset{r=1}{\overset{m}{\Sigma }}\cos ({2\mathrm{\pi kf}}_r/f_s),k=\mathrm{0,1,2},...,f_s/f_1-1$

c、断开按键17，并接通按键15，使储存器处于写入状态。由于一个周期 的工频噪声合成波形由f_s/f₁个点组成，当选用时16×4096字节存储器时，最 高可抑制的工频谐波频率f_m计算公式为：

$\frac{f_s}{f_1}=\frac{{4f}_m}{f_1}\le 4096$

当f₁为50Hz时，所能滤除的最高频率为51200Hz，即工频的第1024次谐 波。

d、断开按键16，使计数器11的输出端口处于高阻态，将一个周期的工频 噪声信号n(k)通过储存器地址线19和储存器数据线20写入到可编程存储器9 中，写入数据向量D为：

D(k)＝round(32767×n(k)),k＝0,1,2,...,f_s/f₁-1

round表示就近取整。

e、断开按键15，并接通按键17，使可编程存储器9进入读取状态。

f、设置分频器13的分频系数为f_clk/f_s，得到计数器11的计数频率为f_s。

g、选用计数器11为12位二进制计数器，设置计数器11的计数上限为 f_s/f₁-1，减一是由于计数器的计数起点为0。

h、数模转换器12选用16位将数模转换器，基准电压为V_ref，转换速率设 置为f_s，数模转换器12的输出电压受可编程存储器9中数据的控制，输出电压 v(k)为：

$v\left(k\right)=\frac{D\left(k\right)}{32767}{V}_{\mathrm{ref}},k=\mathrm{0,1,2},...,f_s/f_1-1$

i、将无源低通滤波器14的截止频率设置为0.5f_s，滤除数模转换器离散化 过程中产生的高频噪声。

j、按下按键16，使能计数器11输出，使可编程存储器9循环输出数据向 量D。

k、调节电阻器3的阻值R_i，调整工频梳状陷波器的衰减量。根据上式可知， 如果输入信号中包含频率ω₀为2πf_r的工频噪声，且所述的合成工频噪声n(k)中 设置有cos(2πkf_r/f_s)项，则在频率ω₀处，工频梳状陷波器的幅频响应为：

$H\left({\omega }_0\right)=1-\frac{V_{\mathrm{ref}}{R}_f}{{\mathrm{mR}}_i}$

因此，调节R_i可以改变衰减量的大小，当R_i＝R_fV_ref/m时，可将所述步骤a 中设置的衰减频率处的工频噪声全部滤除掉。本发明抑制工频及其谐波的频率由 步骤a设置，衰减频率由晶体整荡器分频得到，不受电阻或电容精度的影响。。

l、调节电阻器6和电容器7的值，调整工频梳状陷波器的衰减带宽。当输 入信号频率ω₀不等于工频及其谐波的频率时，即Δω＝ω₀-2πf_r，工频梳状陷波 器在频率ω₀处的幅频响应为：

$H\left({\omega }_0\right)=1-\frac{R_f}{R_i}\underset{r=1}{\overset{m}{\Sigma }}\frac{V_{\mathrm{ref}}}{m}\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\mathrm{\Delta \omega }{R}_{f}C\right)}^2}}$

由上式可知，当输入信号频率偏离工频噪声合成器1中设置的陷波频率时， 电路输出幅度随着Δω的增大而增大，在衰减频率f_r处的等效噪声带宽为：

$B=\underset{0}{\overset{\infty }{\int }}\frac{1}{1+{\left[(\omega -{\omega }_r)R_{f}C\right]}^2}\mathrm{d\omega }=\frac{1}{2R_{f}C}\left(\mathrm{Hz}\right)$

因此，R_fC越大，工频梳状陷波器的衰减带宽越窄，增大R_f或C可以使衰 减带宽变小，减小对有用信号频率的影响。

实施例1

下面以心电信号(Electrocardiogram，ECG)检测仪来进行举例说明。 ECG反映了心脏在兴奋产生、传导和恢复过程中的电变化，是心脏电活动的一 种客观表示，但由于ECG信号微弱，且在室内进行检测，容易受到工频及其低 次谐波的干扰。

设定需要滤除的工频及其谐波频率为50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、 250Hz。在采样率f_s为1000Hz的情况下，合成工频噪声信号n(k)并对其幅度 进行归一化：

$n\left(k\right)=\frac{1}{5}[\cos \left(\frac{\mathrm{\pi k}}{10}\right)+\cos \left(\frac{2\mathrm{\pi k}}{10}\right)+\cos \left(\frac{3\mathrm{\pi k}}{10}\right)+\cos \left(\frac{4\mathrm{\pi k}}{10}\right)+\cos \left(\frac{5\mathrm{\pi k}}{10}\right)]$

D(k)＝round(32767×n(k))，将D(k)包含的20个数据写入可编程存储器，写 入后设置可编程存储器进入读取状态。选用振荡频率f_clk为1M Hz的晶体振荡 器，设置分频器的分频系数为1000，得到计数器11的计数频率为1000Hz。 选用12位二进制计数器，并设置计数器的计数上限为19。数模转换器12选用 16位将数模转换器，基准电压为5V，转换速率设置为1000Hz。将无源低通 滤波器的截止频率设置为500Hz，滤除数模转换器离散化过程中产生的高频噪 声。使能计数器开始计数，从低通滤波器输出得到合成的工频噪声频率。

设置R_i＝R_f＝10kΩ，C＝100μF，衰减带宽为0.5Hz，远低于常规的工频 陷波器衰减带宽。心电信号检测仪中模拟工频梳状陷波器的传输特性曲线图如附 图3所示。

实施例2

下面以核磁共振(Magnetic resonance sounding，MRS)找水仪来进 行举例说明。MRS找水仪利用人工激发的电磁场使地下水中的氢质子形成宏观 磁矩，这一宏观磁矩在电磁场中产生旋进运动，用线圈接收宏观磁矩旋进产生的 电磁信号，探测地下水是否存在。但由于MRS信号极其微弱，一般为nV级， 在野外进行测量时，容易受到周围电力线中工频谐波的影响。MRS信号的频率 (拉莫尔频率)与当地的地磁场强度有关，一般为1kHz-3kHz，例如在吉林 省长春市的拉莫尔频率为2326Hz，虽然在MRS找水仪的检测电路中加入了带 宽为100Hz的带通滤波器，但是工频的第46次谐波2300Hz和第47次谐波 2350Hz对MRS信号的干扰依然很大，成为影响MRS探测的主要问题之一。

设定需要滤除的工频及其谐波频率为2300Hz和2350Hz。在采样率f_s为9.4kHz的情况下，合成工频噪声信号n(k)并对其幅度进行归一化：

$n\left(k\right)=\frac{1}{2}[\cos \left(\frac{2300\mathrm{\pi k}}{4700}\right)+\cos \left(\frac{2350\mathrm{\pi k}}{4700}\right)]$

D(k)＝round(32767×n(k))，将D(k)包含的188个数据写入可编程存储器， 写入后设置可编程存储器进入读取状态。选用振荡频率f_clk为10M Hz的晶体振 荡器，设置分频器的分频系数为1064，得到计数器11的计数频率为9398.5 Hz。选用12位二进制计数器，并设置计数器的计数上限为187。数模转换器 12选用16位将数模转换器，基准电压为5V，转换速率设置为9398.5Hz。 将无源低通滤波器的截止频率设置为4700Hz，滤除数模转换器离散化过程中 产生的高频噪声。使能计数器开始计数，从低通滤波器输出得到合成的工频噪声 频率。

设置R_i＝25kΩ，R_f＝10kΩ，C＝22μF，衰减带宽为2.3Hz。

由于分频器输出的频率为9398.5Hz，与9400Hz存在偏差，造成工频梳 状陷波器的衰减频率为2299.6Hz和2349.6Hz，当衰减带宽为2.3Hz时， 工频第46次和第47次谐波均处于衰减频带内，达到了抑制效果。核磁共振找 水仪中模拟工频梳状陷波器的传输特性曲线图如附图4所示。