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(duì)以方波為載波的基帶信號(hào)（方波的幅度信號(hào)）進(jìn)行帶通濾波、低通濾波處理。尤其，作為基帶信號(hào)的帶通濾波可在載波頻率上實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)運(yùn)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(hào)

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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(duì)以方波為載波的基帶信號(hào)（方波的幅度信號(hào)）作低通濾波或帶通濾波處理，而不必在解調(diào)后專門對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行濾波處理。尤其作為基帶信號(hào)的帶通濾波，可在載波頻率上實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)運(yùn)用，抑制噪聲與干擾的能力更強(qiáng)，性能更好。實(shí)踐表明這是檢測微弱信號(hào)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(diǎn)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(hào)檢測技術(shù)中，常對(duì)緩變信號(hào)進(jìn)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(duì)直流緩變信號(hào)放大處理過程中的零點(diǎn)飄移的影響，又能通過如對(duì)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(hào)。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(hào)（方波的幅度信號(hào)）中的不同頻率分量。在對(duì)載波進(jìn)行帶通濾波時(shí)，已對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的低通濾波。但如果是要檢測基帶信號(hào)中某一頻率分量或者對(duì)基帶信號(hào)作帶通濾波處理時(shí)，就必須先解調(diào)為基帶信號(hào)后再進(jìn)行。

作為一個(gè)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(hào)發(fā)射線圈，給它加上方波勵(lì)磁電流，在它前后對(duì)稱放置一對(duì)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(shí)信號(hào)相互抵消；當(dāng)有金屬雜物（或?qū)Т判噪s物）也以同樣的速度通過探頭時(shí)，由于金屬的渦流作用或?qū)Т怕首兓?，兩接收線圈接收的方波信號(hào)不相等，產(chǎn)生差動(dòng)信號(hào)。由于是以速度v通過探頭，這個(gè)信號(hào)變化率由v決定，波形接近單個(gè)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(shí)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(hào)頻帶。只要檢測出基帶信號(hào)中以這個(gè)頻率為中心的頻帶信號(hào)就可探測出是否混有金屬雜物。探頭的不對(duì)稱及隨環(huán)境的緩變產(chǎn)生接收信號(hào)的不平衡量，即是基帶信號(hào)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(hào)作帶通濾波放大。這樣，在作載波選頻放大時(shí)，基帶信號(hào)中的直流與緩變低頻分量會(huì)被充分放大，往往會(huì)使載波選放級(jí)過載，為此，一般還必須加補(bǔ)償信號(hào)加以平衡。并且對(duì)每個(gè)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(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行帶通濾波放大處理（帶寬如前所述），則不會(huì)產(chǎn)生以上情況，掏干擾與噪聲的能力更強(qiáng)，靈敏度可進(jìn)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(shí)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(gè)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(bǔ)償信號(hào)，靜態(tài)時(shí)載波帶通放大器即同步積分器輸出信號(hào)趨于零，并且可在載波頻率上實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶信號(hào)帶通濾波放大的級(jí)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(duì)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(duì)wR方波載波的幅度信號(hào)的濾波作用為，積分器是解調(diào)后進(jìn)行的，對(duì)基帶信號(hào)的作用為所以，整個(gè)環(huán)路對(duì)基帶信號(hào)的作用與原來的雙二次型完全一樣，只是頻率的零點(diǎn)搬移到wR處而已。從A點(diǎn)輸出，是對(duì)基帶信號(hào)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(hào)。靜態(tài)時(shí)，輸出近似為零。可將它進(jìn)一步輸入后級(jí)相同的調(diào)制解調(diào)式雙二次型濾波器進(jìn)一步濾波放大（見圖3）。最后基帶信號(hào)中的w0頻率信號(hào)（已解調(diào)）可從后一級(jí)電子開關(guān)K1處C點(diǎn)通過簡單平滑濾波后取出。兩級(jí)級(jí)聯(lián)后，等效對(duì)基帶信號(hào)的傳遞函數(shù)為

從圖2的B點(diǎn)輸出，則是對(duì)基帶信號(hào)的二階低通濾波，輸出是已解調(diào)的基帶信號(hào)中的低頻分量。靜態(tài)時(shí)，同步積分器輸出信號(hào)趨于零，它總是放大小信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是增益穩(wěn)定，精度高，可在許多檢測儀器中作為一個(gè)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(lì)的電磁流量計(jì)中的接收電路。

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

插入式電磁流量計(jì)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(gè)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(duì)稱方波電流源，頻率50/4=12.5Hz，接收電路第一級(jí)采用高輸入阻抗和高共模抑制比的儀用放大器AD620，它對(duì)共模性的工頻干擾有很強(qiáng)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(jí)采用調(diào)制解調(diào)式雙二次型濾波器對(duì)方波的幅度信號(hào)即流量信號(hào)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(duì)載波有很強(qiáng)的選頻選相能力，而方波載波頻率為50/4Hz，對(duì)50Hz干擾也有很強(qiáng)的抑制。這兩級(jí)對(duì)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(hào)從積分器輸出端取出，同時(shí)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(shí)際測量，對(duì)應(yīng)于1m/s的流速信號(hào)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(hào)趨于零，線性好。實(shí)際測量整機(jī)的非線性誤差小于1%。插入式電磁流量計(jì)價(jià)格與管道口徑無關(guān)，在大口徑時(shí)，有極大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，并且安裝維護(hù)方便，費(fèi)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(hào)的帶通濾波器，圖3的電路已應(yīng)用在我們研制的交流勵(lì)磁型服裝斷針檢測機(jī)中，樣機(jī)的性能指標(biāo)達(dá)到了日本技術(shù)制造的同類產(chǎn)品的水平，且造價(jià)低，重量輕，不用進(jìn)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(huì)產(chǎn)生渦流，也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，所以要增加一個(gè)能區(qū)分金屬中鋁或銅鐵的電路，但可省去原來對(duì)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(xiàn)

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1 Lam.H.Y-F著，馮橘云等譯.模擬和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).北京：人民郵電出版社，1985

2 方志豪.晶體管低噪聲電路.北京：科學(xué)出版社，1984

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(jì).自動(dòng)化儀表，1997（18）：11～12