一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器

摘要

本发明涉及了一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器。该滤波器为三个压控电压源电路模块串联构成的六阶切比雪夫带通滤波器，其中每个压控电压源电路模块都包括：运算放大器，RC二阶带通滤波器，以及正、负反馈增益电阻。运算放大器同相输入端连接RC二阶带通滤波器，通过正反馈增益电阻将滤波后的输出信号馈送到输入端进一步放大；运算放大器反相输入端连接负反馈增益电阻，用来调节电路增益。该前置带通滤波器能够对石英音叉谐振频率附近通过的信号进行滤波及放大，并且中心频率为32815Hz、通频带宽为935Hz、波纹为0.8dB、带外衰减为51dB、Q值达到35.1。能有效地抑制环境噪声，可用于石英增强光声光谱系统前端信号的处理。

说明书

技术领域

本发明涉及石英增强光声光谱气体检测领域，具体涉及一种用于石英音叉谐振信号提取的前置带通滤波器。

背景技术

石英增强光声光谱技术（QEPAS）是近些年发展起来的一种痕量气体检测技术，相较于于传统光声光谱技术（PAS），QEPAS系统将麦克风声探测器换成了频带很窄的石英音叉，石英音叉具有体积小、灵敏度高、免疫环境噪声等特点，这使得系统抗干扰能力得到增强，探测精度得到提高，同时易于微型化。

QEPAS系统在气体检测过程中，前置放大器通过MΩ级别的跨阻将石英音叉在32.768kHz频率附近谐振产生的微弱电流转换为数mV的微弱电压信号，通过后续的信号处理完成音叉谐振信号的提取。石英音叉仅有几Hz的频带，其谐振产生的电流信号仅为nA级别，前置放大器在提取石英音叉谐振信号的同时易受到其他频带噪声的影响，其输出信号容易埋没于噪声当中；同时前置放大器的跨阻阻值较大，这不仅会影响电路的稳定性，还会引入较大的噪声，降低系统的信噪比，因此需要在后级引入一个选频性能很好的窄带带通滤波电路对前置放大器的输出信号进行提纯并进一步放大，才能满足后续信号处理的要求。

发明内容

本发明提供了一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器，以解决石英音叉谐振信号提取过程中干扰较大、前置放大器输出信号易被噪声埋没的问题。

本发明的技术方案如下：

一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器，所述前置带通滤波器为六阶切比雪夫有源带通滤波器，用于对石英增强光声光谱系统前置放大器输出的微弱信号进行滤波和进一步放大。所述前置带通滤波器由三级二阶压控电压源式带通滤波电路级联构成，其中，所述前置带通滤波器中心频率为32815Hz，通频带宽为935Hz，带内波动为0.8dB，品质因数为35.1，30kHz和33kHz处信号衰减为51dB。

进一步地，所述前置带通滤波器包括：第一级二阶压控电压源式带通滤波器，第二级二阶压控电压源式带通滤波器和第三级二阶压控电压源式带通滤波器。所述第一级二阶压控电压源式带通滤波器接入所述石英音叉前置放大器的输出信号，所述第二级二阶压控电压源式带通滤波器分别连接所述第一级二阶压控电压源式带通滤波器和所述第三级二阶压控电压源式带通滤波器。其中，所述第一级二阶压控电压源式带通滤波器、所述第二级二阶压控电压源式带通滤波器和所述第三级二阶压控电压源式带通滤波器结构相同。

进一步地，所述第一级二阶压控电压源式带通滤波器包括：第一电阻、第一电容、第二电容、第二电阻、第一运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第三电容和第四电容，所述第一电阻的第一端连接输入信号，所述第一电容的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第一电容的第二端接地，所述第二电容的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第二电阻的第一端与所述第二电容的第二端连接，所述第二电阻的第二端接地，所述第一运算放大器的同相输入端与所述第二电容的第二端连接，所述第三电阻的第一端与所述第一运算放大器的同相输入端连接，所述第三电阻的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第一运算放大器的反向输入端与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端接地，所述第五电阻的第一端与所述第一运算放大器的反相端连接，所述第五电阻的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第一运算放大器正电源端接正12V电源，所述第一运算放大器负电源端接负12V电源，所述第三电容第一端接正12V电源，所述第三电容第二端接地，所述第四电容第一端接负12V电源，所述第四电容第二端接地。

进一步地，所述第二级二阶压控电压源式带通滤波器包括：第六电阻、第五电容、第六电容、第七电阻、第二运算放大器、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第七电容和第八电容，所述第六电阻的第一端连接输入信号，所述第五电容的第一端与所述第六电阻的第二端连接，所述第五电容的第二端接地，所述第六电容的第一端与所述第六电阻的第二端连接，所述第七电阻的第一端与所述第六电容的第二端连接，所述第七电阻的第二端接地，所述第二运算放大器的同相输入端与所述第六电容的第二端连接，所述第八电阻的第一端与所述第二运算放大器的同相输入端连接，所述第八电阻的第二端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的反向输入端与所述第九电阻的第一端连接，所述第九电阻的第二端接地，所述第十电阻的第一端与所述第二运算放大器的反相端连接，所述第十电阻的第二端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器正电源端接正12V电源，所述第二运算放大器负电源端接负12V电源，所述第七电容第一端接正12V电源，所述第七电容第二端接地，所述第八电容第一端接负12V电源，所述第八电容第二端接地。

进一步地，所述第三级二阶压控电压源式带通滤波器包括：第十一电阻、第九电容、第十电容、第十二电阻、第三运算放大器、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十一电容和第十二电容，所述第十一电阻的第一端连接输入信号，所述第九电容的第一端与所述第十一电阻的第二端连接，所述第九电容的第二端接地，所述第十电容与所述第十一电阻的第二端连接，所述第十二电阻的第一端与所述第十电容的第二端连接，所述第十二电阻的第二端接地，所述第三运算放大器的同相输入端与所述第十电容的第二端连接，所述第十三电阻的第一端与所述第三运算放大器的同相输入端连接，所述第十三电电阻的第二端与所述第三运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的反向输入端与所述第十四电阻的第一端连接，所述第十四电阻的第二端接地，所述第十五电阻的第一端与所述第一运算放大器的反相端连接，所述第十五电阻的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器正电源端接正12V电源，所述第三运算放大器负电源端接负12V电源，所述第十一电容第一端接正12V电源，所述第十一电容第二端接地，所述第十二电容第一端接负12V电源，所述第十二电容第二端接地。

其中，所述第一运算放大器、所述第二运算放大器与所述第三运算放大器的型号均为OP37G，增益带宽积为63MHz，失调电压为25 µV，最大漂移为0.6 µV/°C，噪声为3.5nV/√Hz。

进一步地，所述第一级二阶压控电压源式带通滤波器，所述第二级二阶压控电压源式带通滤波器和所述第三级二阶压控电压源式带通滤波器的运算放大器同相输入端的RC滤波电容、反相输入端的反馈增益电阻取值相同。

本发明的技术效果如下：

本发明提供了一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器，该滤波器能在噪声环境下对前置放大器输出的数mV微弱电压信号进行滤波，输出波形平滑，并对输入信号有3.11倍的放大能力，中心频率为32815Hz、通频带宽为935Hz、Q值达到35.1，对低于30kHz、高于34kHz的干扰信号能进行大幅的衰减，选频性能良好，对噪声的抑制效果明显，结构简单、工作稳定且成本较低，可以用于石英增强光声光谱气体检测领域音叉微弱信号的提取。

附图说明

图1为本发明一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器中各二阶压控电压源式带通滤波电路结构示意图；

图2为本发明一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器中各二阶压控电压源式带通滤波电路频率响应示意图；

图3为本发明一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器的电路原理图；

图4为本发明一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器频率响应示意图；

图5为本发明一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器输入输出波形图；

附图中的名称标记为：Vin为滤波器输入电压信号；Vout为滤波器输出电压信号；R1、R3、R4、R2、R5、R6、R8、R9、R7、R10、R11、R13、R15、R12、R14分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五电阻；C1、C2、C3、C4、C5、C6、C8、C7、C9、C10、C11、C12分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二电容；U1、U2、U3分别为第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器，均为OP37G。

具体实施方式

为了使本发明实施例的技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明涉及一种应用于石英增强光声光谱系统的前置带通滤波器，该滤波器为六阶切比雪夫有源带通滤波器，由三级二阶压控电压源式带通滤波电路模块级联构成，图1是各二阶压控电压源式带通滤波电路结构示意图。如图1所示，每个压控电压源电路模块都包括：运算放大器，正、负反馈增益电阻，运算放大器的反相端接地电阻，RC二阶带通滤波器，所述RC二阶带通滤波器输入端接输入信号，所述运算放大器同相输入端连接所述RC二阶带通滤波器输出端，通过所述正反馈增益电阻将滤波后的输出信号馈送到所述运算放大器输入端进一步放大；所述运算放大器反相输入端连接所述负反馈增益电阻，用来调节电路增益。对于图1所示电路结构示意图，运用结点电流方程，可以得到所述二阶压控电压源式带通滤波电路传递函数：

其中，K为放大器增益，并且K计算公式如下：

通带增益为Au计算公式如下：

其中，B为通频带宽，其计算公式如下：

中心频率f0和品质因数Q计算公式如下：

此处需要说明的是，单个二阶压控电压源式带通滤波电路的中心频率、通频带宽、带内波动、阻带衰减和品质因数均与本发明实施例所述前置带通滤波器的性能指标有一定偏差。

优选地，在本发明上述实施例中，第一级二阶压控电压源式带通滤波器可以由第一电阻R1、第二电阻R3、第三电阻R4、第四电阻R2、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和第一运算放大器U1组成，其中，电路参数有：R1=65.42kΩ，R2=498.3Ω，R3=485Ω，R4=488.6Ω，R5=1kΩ，C1=C2=10nF，C3=C4=0.1F，U1型号为OP37G，增益带宽积为63MHz，失调电压为25 µV，最大漂移为0.6 µV/°C，噪声为3.5nV/ √Hz。R1、C1、C2、R3组成RC二阶带通滤波器，R2接地，R4、R5构成正、负反馈回路，正反馈回路通过R4将滤波后的输出信号馈送到输入端进一步放大；负反馈回路通过R5和R2比例关系调节滤波器增益，C4和C3分别构成第一运算放大器U1的正、负电源滤波电容。

优选地，在本发明上述实施例中，第二级二阶压控电压源式带通滤波器可以由第六电阻R6、第七电阻R8、第八电阻R9、第九电阻R7、第十电阻R10、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C8、第八电容C7和第二运算放大器U2组成，其中，电路参数有：R6=35.23kΩ，R7=491.5Ω，R8=491.8Ω，R9=498.8Ω，R10=1kΩ，C5=C6=10nF，C7=C8=0.1F，U2型号仍为OP37G。R6、C5、C6、R8组成RC二阶带通滤波器，R7接地，R9、R10构成正、负反馈回路，正反馈回路通过R9将滤波后的输出信号馈送到输入端进一步放大，负反馈回路通过R10和R7比例关系调节滤波器增益，C7和C8分别构成第二运算放大器U2的正、负电源滤波电容。

优选地，在本发明上述实施例中，第三级二阶压控电压源式带通滤波器可以由第十一电阻R11、第十二电阻R13、第十三电阻R15、第十四电阻R12、第十五电阻R14、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12和第三运算放大器U3组成，其中，电路参数有：R11=34.26kΩ，R12=491.5Ω，R13=478Ω，R14=1kΩ，R15=485Ω，C8=C9=10nF，C11=C12=0.1F，U3型号仍为OP37G。R11、C9、C10、R13组成RC二阶带通滤波器，R12接地，R15、R14构成正、负反馈回路，正反馈回路通过R15将滤波后的输出信号馈送到输入端进一步放大，负反馈回路通过R14和R12比例关系调节滤波器增益，C12和C11分别构成第三运算放大器U3的正、负电源滤波电容。

图2是所述实施例中电路参数构成的各级二阶压控电压源式带通滤波器电路频率响应示意图，图2中三级二阶压控电压源式带通滤波器性能指标均不理想，而将所述实施例中三级二阶压控电压源式带通滤波器联起来以后，构成的六阶切比雪夫带通滤波器具有较好的性能指标，其传递函数如下式：

图3和图4分别是三级二阶压控电压源式带通滤波器级联后的前置带通滤波器的电路原理图和频率响应示意图，图4中滤波器性能参数如下：中心频率为32815Hz，通频带宽为935Hz，通带增益为9.86dB，带内波动为0.8dB，品质因数为35.1，30kHz和33kHz处信号衰减为51dB，选频性能较好。

图5是前置带通滤波器输入输出波形图。图5中，左轴为混有500V噪声的输入信号波形Ui，幅值约为2.5mV，波形有较多毛刺；右轴为经过前置带通滤波器滤波后的输出信号波形Uo，幅值为6.3mV，放大增益为9.82dB，波形平滑，较大程度的抑制了噪声。

应当指出：以上所述各实施例仅用于说明发明技术方案，而非对其限制；本技术领域的普通技术人员在不脱离上述实施例所述原理的前提下，依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行若干改进和润饰，这些改进和润饰并不使其本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。