調(diào)制解調(diào)式雙二次型濾波器

摘 要：提出了一種調(diào)制解調(diào)式雙二次（托氏電路）濾波器，它可直接對以方波為載波的基帶信號（方波的幅度信號）進行帶通濾波、低通濾波處理。尤其，作為基帶信號的帶通濾波可在載波頻率上實現(xiàn)級聯(lián)運用。

關(guān)鍵詞：高制解調(diào)式，雙二次濾波器，同步積分器，基帶信號

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1 引言

本文提出一種新型雙二次濾波器電路（托氏電路Tow-Circuit）-調(diào)制解調(diào)式濾波器電路。它可直接對以方波為載波的基帶信號（方波的幅度信號）作低通濾波或帶通濾波處理，而不必在解調(diào)后專門對基帶信號進行濾波處理。尤其作為基帶信號的帶通濾波，可在載波頻率上實現(xiàn)級聯(lián)運用，抑制噪聲與干擾的能力更強，性能更好。實踐表明這是檢測微弱信號十分有效的電路。

2 雙二次型（Tow-Circuit）濾波器簡介

雙二次型有泊濾波器由“泄漏”積分器、積分器、反相器等基本單元部件構(gòu)成（圖1）。其特點是從不同的端輸出可得低通濾波和帶通濾波，性能優(yōu)良，穩(wěn)定性好，調(diào)節(jié)方便。由圖1可得以下關(guān)系式

??????? 如果輸出端改在V1處，則

3 調(diào)制解調(diào)式雙二次型濾波器

在信號檢測技術(shù)中，常對緩變信號進行斬波調(diào)制，即采用以方波為載波的調(diào)制形式。這樣，一方面可克服接收電路對直流緩變信號放大處理過程中的零點飄移的影響，又能通過如對載波的選頻放大或鎖定放大等方法有效地抑制干擾與噪聲，能檢測微弱信號。要獲取不同的信息，需檢測調(diào)制在方波載波上的基帶信號（方波的幅度信號）中的不同頻率分量。在對載波進行帶通濾波時，已對基帶信號進行相應(yīng)的低通濾波。但如果是要檢測基帶信號中某一頻率分量或者對基帶信號作帶通濾波處理時，就必須先解調(diào)為基帶信號后再進行。

作為一個例子，我們討論探測混在非金屬材料中金屬雜物的情況（如清棉金屬探除器），要檢測的材料以一定速度v通過探頭，探頭中心位置為電磁場信號發(fā)射線圈，給它加上方波勵磁電流，在它前后對稱放置一對接收線圈，它們反相串接，理想狀態(tài)是兩接收線圈在沒有金屬雜物在探頭內(nèi)時信號相互抵消；當有金屬雜物（或?qū)Т判噪s物）也以同樣的速度通過探頭時，由于金屬的渦流作用或?qū)Т怕首兓瑑山邮站€圈接收的方波信號不相等，產(chǎn)生差動信號。由于是以速度v通過探頭，這個信號變化率由v決定，波形接近單個正弦波，它的絕大部分頻率分量集中在頻譜密度曲線基頻所在的主峰內(nèi)（主峰頻寬近似為物體通過探頭時間的倒數(shù)）。因此，接收的方波載波上調(diào)制了由v決定的某一頻率為中心的幅度信號頻帶。只要檢測出基帶信號中以這個頻率為中心的頻帶信號就可探測出是否混有金屬雜物。探頭的不對稱及隨環(huán)境的緩變產(chǎn)生接收信號的不平衡量，即是基帶信號中的直流緩變分量。目前的做法是，先采用載波頻率為中心頻率的帶通濾波放大，再解調(diào)出基帶信號作帶通濾波放大。這樣，在作載波選頻放大時，基帶信號中的直流與緩變低頻分量會被充分放大，往往會使載波選放級過載，為此，一般還必須加補償信號加以平衡。并且對每個探頭要分別調(diào)整平衡量。但其中的緩變分量則無法平衡掉，只能降低靈敏度。如果我們能在載波頻率上直接對基帶信號進行帶通濾波放大處理（帶寬如前所述），則不會產(chǎn)生以上情況，掏干擾與噪聲的能力更強，靈敏度可進一步提高。

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本文提出的調(diào)制解調(diào)式雙二次型濾波器同時起到載波帶通選放、解調(diào)、基帶帶通放大的功能，電路簡單，只是在原來的雙二次型濾波器電路上增加幾個電子開關(guān)而已（圖2）。原來的“泄漏”積分器變成同步積分器，它不需要外加補償信號，靜態(tài)時載波帶通放大器即同步積分器輸出信號趨于零，并且可在載波頻率上實現(xiàn)對基帶信號帶通濾波放大的級聯(lián)（如圖3所示）。

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在圖2中，已將原反相器省去。只要調(diào)制器、解調(diào)器的開關(guān)相位如圖所示即可。?

設(shè)載波方波頻率為wR，則圖中同步積分器、調(diào)制器、解調(diào)器的開關(guān)頻率也都是wR（如需對相位選擇，可選與載波方波不同的相位）。

由于同步積分器電容兩極的切換與載波方波同步，所以它對wR方波載波的幅度信號的濾波作用為，積分器是解調(diào)后進行的，對基帶信號的作用為所以，整個環(huán)路對基帶信號的作用與原來的雙二次型完全一樣，只是頻率的零點搬移到wR處而已。從A點輸出，是對基帶信號作帶通濾波放大，中心頻率增益。且輸出仍是以wR方波的載波的信號。靜態(tài)時，輸出近似為零?？蓪⑺M一步輸入后級相同的調(diào)制解調(diào)式雙二次型濾波器進一步濾波放大（見圖3）。最后基帶信號中的w0頻率信號（已解調(diào)）可從后一級電子開關(guān)K1處C點通過簡單平滑濾波后取出。兩級級聯(lián)后，等效對基帶信號的傳遞函數(shù)為

從圖2的B點輸出，則是對基帶信號的二階低通濾波，輸出是已解調(diào)的基帶信號中的低頻分量。靜態(tài)時，同步積分器輸出信號趨于零，它總是放大小信號。它的優(yōu)點是增益穩(wěn)定，精度高，可在許多檢測儀器中作為一個性能優(yōu)良的濾波放大解調(diào)處理電路。例如可作為在方波激勵的電磁流量計中的接收電路。

我們研制的插入式電磁流量計中就采用了這個電路（見圖4）。下面對它作簡單介紹。

插入式電磁流量計的探頭必須很小，激磁鐵芯線包，不銹鋼電極和引線都密封在一個很小的殼體內(nèi)，線包線徑0.1mm，激磁電流不能超過20mA。這就要求接收轉(zhuǎn)換電路有十分高的靈敏度與抗干擾能力（干擾主要是50Hz工頻）。

激磁采用對稱方波電流源，頻率50/4=12.5Hz，接收電路第一級采用高輸入阻抗和高共模抑制比的儀用放大器AD620，它對共模性的工頻干擾有很強抑制。增益穩(wěn)定，完全由電阻決定，Rg=5.1kΩ，則增益大約為20dB。第二級采用調(diào)制解調(diào)式雙二次型濾波器對方波的幅度信號即流量信號起二階低通濾波作用，可以根據(jù)不同的要求選擇參數(shù)和類型。又由于同步積分器對載波有很強的選頻選相能力，而方波載波頻率為50/4Hz，對50Hz干擾也有很強的抑制。這兩級對工頻的抑制再加上采用浮置地的措施，工頻干擾基本消除。在圖4中，流量信號從積分器輸出端取出，同時另外一路通過R14、R15分壓（分壓系數(shù)1/300）由R18引入同步積分器，R18/R5=10，所以放大倍數(shù)為3000，大約70dB，加上AD620的20dB，共90dB。實際測量，對應(yīng)于1m/s的流速信號輸出電壓在1V以上。

在此電路中，如前所述同步積分器輸出信號趨于零，線性好。實際測量整機的非線性誤差小于1%。插入式電磁流量計價格與管道口徑無關(guān)，在大口徑時，有極大的價格優(yōu)勢，并且安裝維護方便，費用比管道式小得多，在污水、化工流體、漿料、飲料等流量測量方面，目前美國等地已有廣泛應(yīng)用。

作為基帶信號的帶通濾波器，圖3的電路已應(yīng)用在我們研制的交流勵磁型服裝斷針檢測機中，樣機的性能指標達到了日本技術(shù)制造的同類產(chǎn)品的水平，且造價低，重量輕，不用進口組件。必須注意的是，由于是交變磁場，鋁或銅（衣服上的拉練、扣子等）會產(chǎn)生渦流，也會產(chǎn)生信號，所以要增加一個能區(qū)分金屬中鋁或銅鐵的電路，但可省去原來對鋁等材料的消磁工序。限于篇幅，不再詳述。

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參考文獻

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3 夏敖敖.消除奇次諧波響應(yīng)的同步積分器.電測與儀表，1995，8

4 孫淮清.插入式流量計.自動化儀表，1997（18）：11～12