50Hz工频抑制器设计与仿真

杨揆

（海军装备部，陕西 西安710043）



50Hz工频抑制器设计与仿真

杨揆

（海军装备部，陕西 西安710043）

摘要：介绍了一种基于双T网络和运算放大器的工频信号抑制器的设计，用以消除测试试验中50 Hz干扰信号，包括工频信号抑制器的设计原理与参数计算，选择。利用信号发生器与示波器对电路进行滤波试验，并且与DeweSoft数据采集仪的带阻功能进行比较。

关键词：工频干扰；抑制器；双T网络；同相比例运算放大器；带宽BW；带阻抑制器电路（BEF）

火炮电气系统低压信号测试中（如：后坐位移测试、依托霍尔器件电流测试、射速测试等）经常遇到50 Hz工频干扰信号通过地线、电磁场串扰进入信号电缆，使得终端测试数据叠加进50 Hz的干扰信号，测试曲线“毛刺”偏多，误差偏大。图1为火炮射击时的后坐位移信号，由于有工频干扰信号的叠加，对位移信号峰值的读取易产生误差，特别在光标1和2（两条水平虚线）之间为误差易产生区域。

图1　工频干扰下的后坐位移曲线

数据采集仪的滤波器多为低通滤波器，无法滤除工频这种特殊干扰，所以设计一种工频陷波器，对50 Hz单一频率进行衰减和滤除，在当前的测试工作中显得特别重要。

工频干扰陷波器对火炮测试过程中经常遇到的50 Hz干扰进行特定的滤除，测试曲线更加光滑、准确，便于测试数据后期分析，提高测试数据的精度。

1　50 Hz工频抑制器设计原理与参数计算

1.1抑制器原理图及系统组成

如图2所示，工频抑制器由信号带阻电路、信号幅度调理电路、运算放大器调零电路、电源保护电路组成。

运算放大器使用前应先进行调零工作，将输入信号Vi接地，调节R6、R11变阻器阻值，直到运算放大器的输出端V6、V0为零（如图2所示）。

图2　抑制器原理图

1.2信号带阻电路

1.2.1信号带阻电路特征频率点的设计

图2虚线左侧部分为信号带阻电路，在双T网络后加一级同相比例运算电路就构成了基本的二阶有源带阻滤波器（BEF）[1]。

双T网络的电阻、电容关系为：

R1＝R2＝2*R3＝R＝31.847 kΩ

C2＝C3＝0.5*C1＝C＝100 nF

同相比例放大器电阻关系：

比例电阻：R4＝10 kΩ，R5＝9 kΩ

运放调零电阻：R6＝10 kΩ

同相比例放大器的放大系统：A0＝1+＝1.9

利用节点法，可以得到带阻电路传递函数：U6与输入Ui幅值相位关系：

将公式（2）带入（1）变换可得：

由（3）可得当f＝f0时Au＝0，即波形幅度衰减到零。

将R、C数值带入：

通过有源带阻滤波器的特性可得f0为滤波器的特征频率点，以特征频率点为对称中心形成一个带阻频率带简称BW.在这个频率带内波形幅度会产生不同幅度的衰减。在设计工频抑制器时应该尽量减小BW，以免有用信号的频率落在BW内也被衰减[3]。

1.2.2信号带阻电路带宽BW的计算

令f/f0＝x，带入公式（3）得：

解得BW上限频率为：

将A0=1.1带入上式，得到带阻宽度BW=0.2 =10 Hz.即带阻滤波器会对频率在45~55 Hz的波形进行衰减。在50 Hz时波形幅度衰减到零。在BW带宽范围外，波形幅度将会被放大A0倍。

图3为信号带阻电路频率与幅值响应模拟实验图。频率与幅值试验结果充分验证了上述计算结果的正确性。

图3　不同频率下的输入信号衰减

1.2.3信号带阻电路输入频率30 Hz、50 Hz、100 Hz的试验仿真

通过信号发生器分别产生幅度为0.5 V，频率分别为30 Hz、50 Hz、100 Hz的正选波加载进入信号带阻电路的输入端。利用示波器采集输入Vi和输出端V0信号波形。

由于信号发生器有一定的误差，信号波形幅度，频率以示波器实测为准。RMS（CH11）输入信号有效值，RMS（CH9）输出信号有效值，Freq（CH9）输出信号频率如图4所示。

图4　30Hz输入输出关系

实测频率30.9 Hz.输入波形有效值RMS（CH11）＝355.635 mv，输出波形RMS（CH9）＝668.93，RMS （CH9）/RMS（CH11）＝1.88≈A0.如图5所示。

图5　50Hz输入输出关系

实测频率52 Hz.输入波形有效值RMS（CH11）＝358.378 mv，输出波形有效值RMS（CH9）＝27.35 mv，RMS（CH9）/RMS（CH11）＝0.076.如图6所示.

图6　100Hz输入输出关系

实测频率99 Hz.输入波形有效值RMS（CH11）＝358.912 mv，输出波形有效值RMS（CH9）＝684.907 mv.RMS（CH9）/RMS（CH11）＝1.91≈A0.

通过三个频率波形的模拟测量可得，信号带阻电路（有源带阻滤波器）能够很好的对50 Hz的频率进行衰减，然而BW频带外的信号幅值将会被放大A0倍。所以为了维持采集信号的真实值，必须对信号带阻电路的输出V6进行调理，已达到输入和输出的波形幅度值一致。

2.3信号幅度调理电路

本文中信号调理电路为同相比例放大器，通过合理的配置电阻确保放大比例系数为1/A0：

通过同相比例放大器的特性方程可得：

2.3.1信号调理电路放大系数模拟仿真

同相比例放大器输入端V6加载50 Hz，幅度1 V的正弦波形，如图7所示。

输入波形有效值Rms（CH11）=707.985 mv，

输出波形有效值Rms（CH9）=373.201 mv.

图7　50Hz信号调理电路输入输出关系

3　工频抑制器总电路分析与仿真

3.1抑制器总电路输入输出关系

抑制器总电路输入端Vi、V0输出端：

频率在BW外的信号V0=Vi*A0*1/A0=Vi；

频率在BW内的信号被前端带阻电路衰减，同时后端同相比例放大器的放大系数＜1，所以总电路的输出端信号幅度进一步得到衰减。

3.2总电路对50 Hz干扰信号的滤波仿真。

（1）测试信号与干扰信号模拟

使用两台信号发生器分别模拟测试信号、工频干扰信号在总电路输入端进行叠加。

测试信号：0.2 Hz、RMS=1V正弦波；

工频干扰信号：50 Hz、RMS=0.35V正弦波。

（2）电路输入与输出端信号比较

CH11为测试信号与工频干扰信号的叠加；

CH9为50 Hz抑制器输出端。

由下图8可以明显发现经过50 Hz抑制器后测试信号的工频干扰得到有效抑制，曲线更加光滑整洁，便于后续处理计算。

图8　带有50Hz干扰的信号滤波前后图

4　结束语

本文介绍一种基于双T网络、有源放大电路的工频信号陷波器的设计与制作，用以消除叠加在测试信号上的50 Hz杂波信号。通过陷波器参数计算、型号选择、实物仿真，分析了该陷波器的工作特性与陷波性能。电路线路简单，带宽小，抗干扰性能良好，大大加强测试系统抗干扰能力。

参考文献：

[1]王骥，王立臣，杜爽.模拟电路分析与设计[D].北京：清华大学出版社，2012.

[2]陈宏亮，田社平，吴雪，等.电路分析基础[C].北京：清华大学出版社，2012.

[3]王汝君，钱秀珍.模拟集成电子电路[C].南京：南京大学出版社，2000.

中图分类号:TP274

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）04-0104-04

收稿日期：2016-01-12

作者简介：杨揆（1986-），男，山东济宁人，硕士，助理工程师，主要从事武器装备研究。

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