50/60Hz的陷波器
最近设计了一个不包含处理器的50Hz/60Hz正弦波陷波器。
±5V电源供电
电流(+5V):20ma
电流(-5V):10ma
重量:13g
输入阻抗:>100k
在DC-1kHz 内保持10 倍电压增益,在50Hz、60Hz 处具有很好的陷波效果。
输入、输出口:SMA 头。


整体描述:为保证输入阻抗,且为提高后级电路的信号驱动能力,采用电压跟随器作为输入;由于后面的陷波电路55Hz附近的通带内的信号幅度造成了一定的衰减,为使得55Hz处与其他通带频率点保持较好的一致性,对55Hz处的电压增益进行补偿,增加一级中心频率为55Hz的频率补偿电路,对55Hz附近的频率进行一定的补偿,以提高增益一致性。由于增益补偿电路输出信号是反向的,需要用一个反向等比例放大器对补偿后的信号进行反向。随后送入由3级完全相同的中心频率为50Hz“T型陷波器以及360Hz“T型陷波器构成的串联陷波网络;由于前面使用的运放数量较多,为避免由于各个运放的失调电压的累计而产生的对最后测试结果的不利的影响,增加一级差分放大器构成的减法器;随后,使信号通过低通滤波器以滤除带外噪声,提高信号的信噪比,最终经过一级电压跟随器并输出。


----------------------------------------------------------------------分割线-------------------------------------------------------------------------------------------------


陷波器采用T型陷波器,具有很好的陷波效果。电路图如下图
263336


R1/R2决定反馈深度,比值越小,陷波效果越差,边缘越陡峭;比值越大,陷波效果越好,边缘越平缓。具体的传递函数我就不推导了。经过仿真看波特图没问题就行了。
这里我采用了三级陷波器级联,也就是3(50Hz)+3(60Hz)模式。
尽管陷波效果达到了,但是在50Hz~60Hz之间的衰减太大,导致增益一致性不好。为此引入增益补偿电路,将输入信号的50~60Hz处先放大,也就是做一定频率的增益补偿。以下是增益补偿电路
263337




增益补偿电路需要计算,其阻容以确定通带,中心频率处增益等等。计算的Excel表格在包含在压缩文件中。以下是用multisi的仿真幅频图
263334


中心频率设置在55Hz处,线性增益为2。
首先看一下增益补偿前的幅频图。这里选择纵坐标为线性,比较方便对比。
263348


补偿后的幅频图。
263347


这是补偿后的对数增益图,可以看到仿真的陷波效果还是很理想的。
263346


以上的仿真电路我放在了压缩文件里。
接下来就是做PCB,PCB我是用AD画的,原理图与PCB布线我也都放到了后面的压缩文件里。
增益补偿我用AD8510运放,后面的运放用的都是AD4805-2。这俩运放都是低噪声的,电流小,非常合适。这是最后面调试好的板子。
263333


可调电阻在调试完毕后被换成了定值电阻,防止震动等因素对板子的精确度造成影响。
在这里的确需要吐槽一下,仿真时的结果很棒,实际上阻容的参数是有误差的,买了村田的0.1%高精度的电阻,但还是比较蛋疼,经常得拿着电桥反复选阻容。很多电阻值都是串联or并联起来的。
在此吐槽一下贴片电容,±10%的精度实在是想吐血,我用的是0805封装的1uf的电容经常只有700nF,10uf的贴片实际只有8uf而已。然后测试仪器:
固纬GPD-3303D双通道可调直流稳压电源
优利德UTG4122A 120MHz 函数/任意波形发生器
安捷伦MSO6032A
固纬GDM-8261六位半台式万用表


分别选择10Hz,47.5Hz,50Hz,52.5Hz,55Hz,57.5Hz,60Hz,62.5Hz,1KHz这几个点做测试。没有低频扫频仪,只能大概做个测试了。在50和60Hz处,可能是台式表没法再测到更低的电压,所以比较无奈,实验室没有低频毫伏表。
输入正弦信号,400mv Vp
测试照片被我拼接起来,不然没法一起看,不过结果图片看起来比较小,点击放大后应该能看得到上面的数据。
首先看10Hz处
263322


47.5Hz
263323


50Hz
263325


52.5Hz
263327


55Hz
263329


57.5Hz
263330


60Hz
263331

62.5Hz
263332


1KHz
263321


个人感觉还行。比较遗憾的就是陷波处没法测得更低,没有更好的仪器了。
下面是压缩文件,里面包括Multisim的仿真电路,AD的原理图与PCB布线,增益补偿电路的阻容计算。
滤波器.rar12.9M20次



[s:41]

2016/4/18----------------------------------------------------------------奇侠。
来自 电子技术
2016-4-18 17:11:35
1楼
业余角度看效果好得令人发指啊!我想这跟元器件的严格筛选有关系吧
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奇侠(作者)
2楼
引用 北落师门:
业余角度看效果好得令人发指啊!我想这跟元器件的严格筛选有关系吧
是的,阻容选择非常严格,选的想吐血的感觉。拿着电桥一点点找。简直是坑。
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3楼
楼主在仿真那一步,应加入参数扫描/蒙特卡洛分析,可以直观地看到器件偏差值对滤波效果的影响。

0805的1uF,通常是Y5V材料,随着温度/偏压改变,其容量变化可以轻松达到20%,不应用于精密滤波电路。
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2016-4-19 00:17:34
4楼
LZ的几个仪器,都是具有USB连接功能的。
完全可以连接到计算机上,通过编程(比如LabVIEW)来实现频谱的功能。这样可以得到更好的实验结果,并和仿真进行比较。
其实利用信号源扫频+示波器Scan模式,也完全可以得到频谱。远比这样少的几个取点有说服力。
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5楼
novakon说的非常正确。
必需注意贴片电容材质的问题,常见的基本上就是Y5V X7R NPO(容量稳定性从差到好排列)。
很多时候,定时电路若用了Y5V之类的积分电容,会出现手一放电容上频率就跑掉,这很多时候并不主要是因为寄生参数发生了变化,而是手加热了电容,容值发生了变化。
曾用X7R电容制作一三角波扫描模块,虽然使用的X7R电容标称是50V耐压,实际使用到12V,已经可以看见到上升斜率发生了变化,越到电压高处斜率越大,对应的就是电容量越小。
建议在这里使用1206的焊盘,尽量使用X7R的电容。
当然土豪的话可以选择松下贴片薄膜电容。。。效果拔群。
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6楼
好东西,最近在考虑EEG的事情,正好要排除50~60HZ的强工频干扰,这个真的很有用
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7楼
引用 justinpiggy:
novakon说的非常正确。
必需注意贴片电容材质的问题,常见的基本上就是Y5V X7R NPO(容量稳定性从差到好排列)。
很多时候,定时电路若用了Y5V之类的积分电容,会出现手一放电容上频率就跑掉,这很多时候并不主要是因为寄生参数发生了...
NP0(C0G)材质的电容做不大的,最大好像就102。
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8楼
引用 .........:
NP0(C0G)材质的电容做不大的,最大好像就102。
对的。
但至少不能用Y5V,X7R起步吧。然后有条件用贴片薄膜电容
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奇侠(作者)
9楼
引用 novakon:
楼主在仿真那一步,应加入参数扫描/蒙特卡洛分析,可以直观地看到器件偏差值对滤波效果的影响。

0805的1uF,通常是Y5V材料,随着温度/偏压改变,其容量变化可以轻松达到20%,不应用于精密滤波电路。
的确,那个精度那么差的电容,万里挑一都不可能调到合适的,那种差电容我也只是拿来做滤波电容而已。我这里用的是C0G电容,0.1uF的,经过电桥测试,全是99~101nF附近的电容。
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奇侠(作者)
10楼
引用 justinpiggy:
LZ的几个仪器,都是具有USB连接功能的。
完全可以连接到计算机上,通过编程(比如LabVIEW)来实现频谱的功能。这样可以得到更好的实验结果,并和仿真进行比较。
其实利用信号源扫频+示波器Scan模式,也完全可以得到频谱。远比这样少的几个...
[s::lol]说得对,不过我还不会编程。只能搞了个点频法来测试。
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奇侠(作者)
11楼
引用 smith:
好东西,最近在考虑EEG的事情,正好要排除50~60HZ的强工频干扰,这个真的很有用
[s::D]能帮上忙是最好的。
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奇侠(作者)
12楼
引用 justinpiggy:
novakon说的非常正确。
必需注意贴片电容材质的问题,常见的基本上就是Y5V X7R NPO(容量稳定性从差到好排列)。
很多时候,定时电路若用了Y5V之类的积分电容,会出现手一放电容上频率就跑掉,这很多时候并不主要是因为寄生参数发生了...
电容是COG材质的,0.1uF。本来想看看淘宝搜索高精度贴片电容,不过基本上等于没找到。折中用了COG电容。不过温飘还是存在的,而且可以感受到。比如说,,白天和夜间测试,50/60Hz处的陷波能力会有一些少许偏差。
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13楼
引用 smith:
好东西,最近在考虑EEG的事情,正好要排除50~60HZ的强工频干扰,这个真的很有用
eeg就要自己做前端放大的话,并不用陷波50hz呀,直接低通。Q值稍稍大些。。,,,我的通频带设计是2-32HZ的,,,
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14楼
要测量的话,可以使用声卡输入和输出,配合软件传输模式扫频谱出来
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2016-4-20 19:26:09
15楼
1.低频定频陷波器得用高稳定性的滤波电容,用聚丙烯薄膜电容好,不过贴片的货很贵,而且很不耐热,一不小心就搞坏了,直插的货源多且便宜

2.脑电图,心电图,输入为啥不搞差动输入啊,这样抗干扰能力就·很好了啊
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2016-4-21 12:37:31
16楼
引用 .........:
NP0(C0G)材质的电容做不大的,最大好像就102。
1206封装有104的
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