楊揆

（海軍裝備部，陜西 西安710043）

?

50Hz工頻抑制器設(shè)計(jì)與仿真

楊揆

（海軍裝備部，陜西 西安710043）

摘要：介紹了一種基于雙T網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)抑制器的設(shè)計(jì)，用以消除測(cè)試試驗(yàn)中50 Hz干擾信號(hào)，包括工頻信號(hào)抑制器的設(shè)計(jì)原理與參數(shù)計(jì)算，選擇。利用信號(hào)發(fā)生器與示波器對(duì)電路進(jìn)行濾波試驗(yàn)，并且與DeweSoft數(shù)據(jù)采集儀的帶阻功能進(jìn)行比較。

關(guān)鍵詞：工頻干擾；抑制器；雙T網(wǎng)絡(luò)；同相比例運(yùn)算放大器；帶寬BW；帶阻抑制器電路（BEF）

火炮電氣系統(tǒng)低壓信號(hào)測(cè)試中（如：后坐位移測(cè)試、依托霍爾器件電流測(cè)試、射速測(cè)試等）經(jīng)常遇到50 Hz工頻干擾信號(hào)通過地線、電磁場(chǎng)串?dāng)_進(jìn)入信號(hào)電纜，使得終端測(cè)試數(shù)據(jù)疊加進(jìn)50 Hz的干擾信號(hào)，測(cè)試曲線“毛刺”偏多，誤差偏大。圖1為火炮射擊時(shí)的后坐位移信號(hào)，由于有工頻干擾信號(hào)的疊加，對(duì)位移信號(hào)峰值的讀取易產(chǎn)生誤差，特別在光標(biāo)1和2（兩條水平虛線）之間為誤差易產(chǎn)生區(qū)域。

圖1　工頻干擾下的后坐位移曲線

數(shù)據(jù)采集儀的濾波器多為低通濾波器，無法濾除工頻這種特殊干擾，所以設(shè)計(jì)一種工頻陷波器，對(duì)50 Hz單一頻率進(jìn)行衰減和濾除，在當(dāng)前的測(cè)試工作中顯得特別重要。

工頻干擾陷波器對(duì)火炮測(cè)試過程中經(jīng)常遇到的50 Hz干擾進(jìn)行特定的濾除，測(cè)試曲線更加光滑、準(zhǔn)確，便于測(cè)試數(shù)據(jù)后期分析，提高測(cè)試數(shù)據(jù)的精度。

1　50 Hz工頻抑制器設(shè)計(jì)原理與參數(shù)計(jì)算

1.1抑制器原理圖及系統(tǒng)組成

如圖2所示，工頻抑制器由信號(hào)帶阻電路、信號(hào)幅度調(diào)理電路、運(yùn)算放大器調(diào)零電路、電源保護(hù)電路組成。

運(yùn)算放大器使用前應(yīng)先進(jìn)行調(diào)零工作，將輸入信號(hào)Vi接地，調(diào)節(jié)R6、R11變阻器阻值，直到運(yùn)算放大器的輸出端V6、V0為零（如圖2所示）。

圖2　抑制器原理圖

1.2信號(hào)帶阻電路

1.2.1信號(hào)帶阻電路特征頻率點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖2虛線左側(cè)部分為信號(hào)帶阻電路，在雙T網(wǎng)絡(luò)后加一級(jí)同相比例運(yùn)算電路就構(gòu)成了基本的二階有源帶阻濾波器（BEF）[1]。

雙T網(wǎng)絡(luò)的電阻、電容關(guān)系為：

R1＝R2＝2*R3＝R＝31.847 kΩ

C2＝C3＝0.5*C1＝C＝100 nF

同相比例放大器電阻關(guān)系：

比例電阻：R4＝10 kΩ，R5＝9 kΩ

運(yùn)放調(diào)零電阻：R6＝10 kΩ

同相比例放大器的放大系統(tǒng)：A0＝1+＝1.9

利用節(jié)點(diǎn)法，可以得到帶阻電路傳遞函數(shù)：U6與輸入U(xiǎn)i幅值相位關(guān)系：

將公式（2）帶入（1）變換可得：

由（3）可得當(dāng)f＝f0時(shí)Au＝0，即波形幅度衰減到零。

將R、C數(shù)值帶入：

通過有源帶阻濾波器的特性可得f0為濾波器的特征頻率點(diǎn)，以特征頻率點(diǎn)為對(duì)稱中心形成一個(gè)帶阻頻率帶簡(jiǎn)稱BW.在這個(gè)頻率帶內(nèi)波形幅度會(huì)產(chǎn)生不同幅度的衰減。在設(shè)計(jì)工頻抑制器時(shí)應(yīng)該盡量減小BW，以免有用信號(hào)的頻率落在BW內(nèi)也被衰減[3]。

1.2.2信號(hào)帶阻電路帶寬BW的計(jì)算

令f/f0＝x，帶入公式（3）得：

解得BW上限頻率為：

將A0=1.1帶入上式，得到帶阻寬度BW=0.2 =10 Hz.即帶阻濾波器會(huì)對(duì)頻率在45~55 Hz的波形進(jìn)行衰減。在50 Hz時(shí)波形幅度衰減到零。在BW帶寬范圍外，波形幅度將會(huì)被放大A0倍。

圖3為信號(hào)帶阻電路頻率與幅值響應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)圖。頻率與幅值試驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了上述計(jì)算結(jié)果的正確性。

圖3　不同頻率下的輸入信號(hào)衰減

1.2.3信號(hào)帶阻電路輸入頻率30 Hz、50 Hz、100 Hz的試驗(yàn)仿真

通過信號(hào)發(fā)生器分別產(chǎn)生幅度為0.5 V，頻率分別為30 Hz、50 Hz、100 Hz的正選波加載進(jìn)入信號(hào)帶阻電路的輸入端。利用示波器采集輸入Vi和輸出端V0信號(hào)波形。

由于信號(hào)發(fā)生器有一定的誤差，信號(hào)波形幅度，頻率以示波器實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。RMS（CH11）輸入信號(hào)有效值，RMS（CH9）輸出信號(hào)有效值，F(xiàn)req（CH9）輸出信號(hào)頻率如圖4所示。

圖4　30Hz輸入輸出關(guān)系

實(shí)測(cè)頻率30.9 Hz.輸入波形有效值RMS（CH11）＝355.635 mv，輸出波形RMS（CH9）＝668.93，RMS （CH9）/RMS（CH11）＝1.88≈A0.如圖5所示。

圖5　50Hz輸入輸出關(guān)系

實(shí)測(cè)頻率52 Hz.輸入波形有效值RMS（CH11）＝358.378 mv，輸出波形有效值RMS（CH9）＝27.35 mv，RMS（CH9）/RMS（CH11）＝0.076.如圖6所示.

圖6　100Hz輸入輸出關(guān)系

實(shí)測(cè)頻率99 Hz.輸入波形有效值RMS（CH11）＝358.912 mv，輸出波形有效值RMS（CH9）＝684.907 mv.RMS（CH9）/RMS（CH11）＝1.91≈A0.

通過三個(gè)頻率波形的模擬測(cè)量可得，信號(hào)帶阻電路（有源帶阻濾波器）能夠很好的對(duì)50 Hz的頻率進(jìn)行衰減，然而BW頻帶外的信號(hào)幅值將會(huì)被放大A0倍。所以為了維持采集信號(hào)的真實(shí)值，必須對(duì)信號(hào)帶阻電路的輸出V6進(jìn)行調(diào)理，已達(dá)到輸入和輸出的波形幅度值一致。

2.3信號(hào)幅度調(diào)理電路

本文中信號(hào)調(diào)理電路為同相比例放大器，通過合理的配置電阻確保放大比例系數(shù)為1/A0：

通過同相比例放大器的特性方程可得：

2.3.1信號(hào)調(diào)理電路放大系數(shù)模擬仿真

同相比例放大器輸入端V6加載50 Hz，幅度1 V的正弦波形，如圖7所示。

輸入波形有效值Rms（CH11）=707.985 mv，

輸出波形有效值Rms（CH9）=373.201 mv.

圖7　50Hz信號(hào)調(diào)理電路輸入輸出關(guān)系

3　工頻抑制器總電路分析與仿真

3.1抑制器總電路輸入輸出關(guān)系

抑制器總電路輸入端Vi、V0輸出端：

頻率在BW外的信號(hào)V0=Vi*A0*1/A0=Vi；

頻率在BW內(nèi)的信號(hào)被前端帶阻電路衰減，同時(shí)后端同相比例放大器的放大系數(shù)＜1，所以總電路的輸出端信號(hào)幅度進(jìn)一步得到衰減。

3.2總電路對(duì)50 Hz干擾信號(hào)的濾波仿真。

（1）測(cè)試信號(hào)與干擾信號(hào)模擬

使用兩臺(tái)信號(hào)發(fā)生器分別模擬測(cè)試信號(hào)、工頻干擾信號(hào)在總電路輸入端進(jìn)行疊加。

測(cè)試信號(hào)：0.2 Hz、RMS=1V正弦波；

工頻干擾信號(hào)：50 Hz、RMS=0.35V正弦波。

（2）電路輸入與輸出端信號(hào)比較

CH11為測(cè)試信號(hào)與工頻干擾信號(hào)的疊加；

CH9為50 Hz抑制器輸出端。

由下圖8可以明顯發(fā)現(xiàn)經(jīng)過50 Hz抑制器后測(cè)試信號(hào)的工頻干擾得到有效抑制，曲線更加光滑整潔，便于后續(xù)處理計(jì)算。

圖8　帶有50Hz干擾的信號(hào)濾波前后圖

4　結(jié)束語

本文介紹一種基于雙T網(wǎng)絡(luò)、有源放大電路的工頻信號(hào)陷波器的設(shè)計(jì)與制作，用以消除疊加在測(cè)試信號(hào)上的50 Hz雜波信號(hào)。通過陷波器參數(shù)計(jì)算、型號(hào)選擇、實(shí)物仿真，分析了該陷波器的工作特性與陷波性能。電路線路簡(jiǎn)單，帶寬小，抗干擾性能良好，大大加強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王驥，王立臣，杜爽.模擬電路分析與設(shè)計(jì)[D].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2]陳宏亮，田社平，吳雪，等.電路分析基礎(chǔ)[C].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3]王汝君，錢秀珍.模擬集成電子電路[C].南京：南京大學(xué)出版社，2000.

中圖分類號(hào):TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0104-04

收稿日期：2016-01-12

作者簡(jiǎn)介：楊揆（1986-），男，山東濟(jì)寧人，碩士，助理工程師，主要從事武器裝備研究。

Design and Simulation of 50Hz Power Frequency Inhibitor

YANG Kui
（Equipment Department of the Navy，Xi’an Shaangxi 710043，China）

Abstract:This article introduced design of a power frequency inhibitor based on double-T network and operational amplifier，for eliminating 50Hz interfering signal in the test experiment.The article also contains the design principle and parameter calculation and selection of power frequency inhibitor，and circuit filtering test using signal generator and oscilloscope and comparing with band elimination function of dewesoft data collector.

Key words:power frequency interference；inhibitor；Double-T network；noninverting proportion amplifier；band width；band elimination filter