专利名称：一种自动稳零转速跟踪抗混滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及设备故障诊断技术的信号检测技术范畴，特别是一种低频特性可达到直流信号的自动稳零抗混滤波器。
背景技术：
在故障诊断的信号检测领域，为了实现模拟信号的数字化处理，需要对信号进行低通抗混滤波后，由AD变换器进行采样。根据采样定理，为了避免混叠的发生，采样频率应该为最高信号频率的两倍以上，也就是说，当采样频率为FC时，允许的信号频率FM应满足条件FM<FC/2，否则将发生混叠效应。为了克服混叠失真，需要对信号采集中的输入信号UI进行抗混(低通)滤波，抗混(低通)滤波器的转折频率FH应该满足条件! 彡FM彡FC/2。例如常用MAX293之类的开关电容滤波器构成所需抗混滤波器时，需要预先给定一个抗混 控制信号，当其抗混控制频率FK为FK=X*ra时，滤波器自动将抗混频率FH控制为FH=FK/X。式中的X为抗混控制系数，由所选择的抗混滤波器决定，例如MAX293抗混滤波器的抗混控制系数为X=100，MAX294抗混滤波器的抗混控制系数为X=50。传统方法在需要改变抗混滤波器的转折频率ra时，是通过人为事先给定抗混控制频率FK=x*ra来实现的，称为“有级抗混滤波”，仅适用于信号的频率F为稳定频率的范畴。在信号采样的过程中，传统方法事先按照采样之前的初始转速频率FNO来设定采样频率FC :FC=FC0=N*FN0，N为采样频率倍频系数，并按照预设的采样频率FC=N*FN0来给定抗混控制频率FK=X*FC=X*N*FN0，这是一种“有级抗混滤波”;传统的这种“有级抗混滤波”存在的问题是当信号频率F随转速频率FN发生变化时，采样频率FC却不能随时变化，也不可能在采样的全过程始终保证转折频率FH=FC/2= N*FN/2，即不可能在采样的全过程始终保证转折频率FH等于N *FN /2以达到最大抗混频带要求；有可能在转速频率FN变化到大于初始频率FNO时，发生N *FN /2大于N*FN0/2而产生混叠失真的风险；而在转速跟踪采样中，虽然可以保证采样频率FC=N*FN，但因为事先设置的抗混控制频率为FK=X*FC0=X*N*FN0，所能允许的分析频率上限为FH= N*FN0/2，若转速频率降低到FN〈FN0，则采样频率也降低到N*FN〈N*FN0，便必然发生采样频率低于抗混频率从而出现混叠失真的风险。由于抗混滤波器的低频频率响应为OHz (即为直流)，而且使用的需求，例如对共振解调信号滤波时，也需要低频响应达到0Hz，而大多数抗混滤波器的直流工作点稳定性都不能满足要求，例如MAX293在不同的滤波频率使用时，不仅最大的直流工作点偏移可达到IV，而且在不同的频率时的偏移量还可能是不同的。为了解决直流工作点偏移问题，在所要求的低频响应频率不很低时，通常用隔直流的CR耦合电路来解决，但这不仅带来了 CR电路的过渡过程，还使得直流信号通过抗混滤波器的需求不能实现。附图I为一个内部抗混滤波器单元存在直流工作点偏移或漂移的经典电路模型，虽然它能传输直流信号，并具有滤波通带内平坦的传输特性，如附图2 ;但当输入信号的工作点为零时，若内部抗混滤波器单元存在失调电压为VSl=IV,则引起抗混滤波输出出现IV的直流工作点偏移，如果后续的后置滤波器单元的直流放大系数为G=2，则经过后置滤波器单元的输出便出现2V的直流工作点偏移，如附图I。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种自动稳零转速跟踪抗混滤波器，克服抗混滤波器单元、后置滤波器单元因为存在失调电压或开关电容滤波环节容易出现的漂移电压所致的直流工作点偏移问题，解决变速机械故障诊断中所需的精确量化检测问题。为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是一种自动稳零转速跟踪抗混滤波器，包括抗混滤波器单元、后置滤波器单元，还包括反相放大器、控制采样与抗混滤波频率的频率发生器、电阻、电容，当要求所述抗混滤波器滤波放大系数为K时，第一反相放大器OPl通过第一电阻Rl接入第二反相放大器0P2的负输入端，第二反相放大器0P2的正输入端接地，第二反相放大器0P2的输出端与抗混滤波器单元的输入端、第二电容C2连接，第二电容C2与第二电阻R2串联，第二电阻R2接入第一电阻Rl和第二反相放大器0P2负输入端之间，抗混滤波器单元的输出端接入后置滤波器单元的输入端，后置滤波器单元的输出端与第四电阻R4连接，第四电阻R4与第三电阻R3串联，第三电阻R3接入第一电·阻Rl和第二反相放大器0P2负输入端之间，第一电容Cl 一端接入第三电阻R3和第四电阻R4之间，第一电容Cl另一端接地，抗混滤波器单元的抗混频率输入端与控制采样与抗混滤波频率的频率发生器连接；当要求所述抗混滤波器滤波放大系数为-K时，第一电阻Rl接入第二反相放大器0P2的负输入端，第二反相放大器0P2的正输入端接地，第二反相放大器0P2的输出端与抗混滤波器单元的输入端、第二电容C2连接，第二电容C2与第二电阻R2串联，第二电阻R2接入第一电阻Rl和第二反相放大器0P2负输入端之间，抗混滤波器单元的输出端接入后置滤波器单元的输入端，后置滤波器单元的输出端与第四电阻R4连接，第四电阻R4与第三电阻R3串联，第三电阻R3接入第一电阻Rl和第二反相放大器0P2负输入端之间,第一电容Cl 一端接入第三电阻R3和第四电阻R4之间，第一电容Cl另一端接地，抗混滤波器单元的抗混频率输入端与控制采样与抗混滤波频率的频率发生器连接。所述第一反相放大器OPl的放大系数为-I。所述电阻Rl、R2、R3、R4和电容Cl、C2的参数设计须符合下述公式R3=R4 ；R3+R4=K*R1 ;R2=K*R1/G;C1*R3*R4/(R3+R4)=C2*R2。所述第二反相放大器0P2和抗混滤波器单元分别为八阶低通椭圆函数开关电容滤波器MAX293集成电路芯片内的反相放大器和抗混滤波器单元；输入第一反相放大器OPl的输入端，第一反相放大器OPl的输出端接到第一电阻Rl的一端，第一电阻Rl的另一端接到MAX293的CPIN，MAX293的CPOUT接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接MAX293的CPIN端；MAX293的CPOUT端接到MAX293的IN端，MAX293的OUT端接到后置滤波单元的输入端IN2，后置滤波单元的输出端02输出最终的克服了直流工作点偏移或漂移的滤波信号；后置滤波单元的输出端02还接到第四电阻R4的一端,第四电阻R4的另一端接到第一电容Cl的一端和第三电阻R3的一端,第三电容Cl的另一端接地GND，第三电阻R3的另一端接到MAX293的CPIN端，采样与抗混频率发生器3输出的控制信号FK接到MAX293的KLC端，MAX293的AGND端接地GND，MAX293的V+端接电源+5V，MAX293的V-端接电源-5V。所述控制采样与抗混滤波频率的频率发生器包括安装在被检测的机器的转轴上的转速传感器、采样频率发生器和抗混频率发生器，转速传感器输出的等于轴转动频率FN之A倍的转速信号AFN，接到采样频率发生器的输入端FNIN，但需要的采样频率FC=N*FN时，采样频率发生器内部对AFN信号进行B=N/A倍频，输出FC=N*FN的信号，提供AD变换器进行转速跟踪采样的控制频率；该？(信号还接到抗混频率发生器的FKIN输入端，当所用的抗混滤波器单元的抗混控制系数为X时，为了保证抗混滤波上限频率FH〈=FC/2，则抗混频率发生器的输出频率FK〈=X*FH=X*FC/2，为此，由抗混频率发生器对FKIN输入的频率为FC的信号进行C〈=X/2的倍频，由抗混频率发生器的FK端输出FK信号，接到抗混滤波器单元的FK输入端，如附图12 ;当作为自动稳零固定频率抗混滤波器使用时，控制采样与抗混滤波频率的频率发生器3用频率固定为FK=X*FC的信号发生器取代。本发明较之现有的经典的抗混混滤波器的优点在于能够克服抗混滤波器单元、后置滤波器单元因为存在失调电压或开关电容滤波环节容易出现的漂移电压所致的直流工作点偏移问题，又能实现转速跟踪抗混滤波易于与转速跟踪采样匹配的目的，完美地解决了变速机械故障诊断中所需的精确量化检测问题，在轨道交通、风力发电和其他变速机械故障诊断中有广泛的应用前景。
图I为内部抗混滤波器单元存在直流工作点偏移或漂移的经典电路；图2为经典电路具有滤波通带内平坦的传输特性示意图；图3为本发明一实施例放大系数为I的自动稳零抗混滤波器之一；图4为本发明一实施例放大系数为I的自动稳零抗混滤波器之二 ；图5为本发明一实施例放大系数为I的自动稳零抗混滤波器能够准确传输输入的直流信号；图6为本发明一实施例放大系数为I的自动稳零抗混滤波器之一具有良好的低频传输特性示意图；图7为参数设计不符合设计公式的自动稳零抗混滤波器电路；图8为参数设计不符合设计公式的自动稳零抗混滤波器电路的低频传输特性不合格示意图；图9为本发明一实施例放大系数为I的自动稳零抗混滤波器之二具有良好的低频传输特性示意图；图10为本发明一实施例放大系数为-I的自动稳零抗混滤波器；图11为本发明一实施例使用MAX293及其内部反相放大器的自动稳零并放大系数为I的抗混滤波器；图12为本发明一实施例控制采样与抗混滤波频率的频率发生器结构示意图；图13为本发明一实施例后置滤波器放大系数为4抗混滤波传输系数为I自动稳零转速跟踪抗混滤波器原理图；、
图14为本发明一实施例后置滤波器放大系数为4抗混滤波传输系数为I自动稳零转速跟踪抗混滤波器抑制失调电压的效果图；图15为本发明一实施例后置滤波器放大系数为4抗混滤波传输系数为I自动稳零转速跟踪抗混滤波器抑制失调电压、传输直流信号的效果图；图16为本发明一实施例后置滤波器放大系数为4抗混滤波传输系数为I自动稳零转速跟踪抗混滤波器的传输特性；图17为本发明一实施例后置滤波器放大系数为4抗混滤波传输系数为I自动稳零转速跟踪抗混滤波器传输通带内信号并抑制失调电压的波形图；其中I :抗混滤波器单元；2 :后置滤波器单元；3 :频率发生器；31 :转速传感器；32 :采样频率发生器；33 :抗混频率发生器。
具体实施例方式如图3所示，本发明一实施例包括抗混滤波器单元、后置滤波器单元，还包括反相放大器OPl和0P2、控制采样与抗混滤波频率的频率发生器、电阻、电容，第一反相放大器OPl通过第一电阻Rl接入第二反相放大器0P2的负输入端，第二反相放大器0P2的正输入端接地，第二反相放大器0P2的输出端与抗混滤波器单元的输入端、第二电容C2连接，第二电容C2与第二电阻R2串联，第二电阻R2接入第一电阻Rl和第二反相放大器0P2负输入端之间，抗混滤波器单元的输出端接入后置滤波器单元的输入端，后置滤波器单元的输出端与第四电阻R4连接，第四电阻R4与第三电阻R3串联，第三电阻R3接入第一电阻Rl和第二反相放大器0P2负输入端之间，第一电容Cl 一端接入第三电阻R3和第四电阻R4之间，第一电容Cl另一端接地，抗混滤波器单元的抗混频率输入端与控制采样与抗混滤波频率的频率发生器连接。为了保证得到良好的传输系数K=I的低频特性，当后置滤波器单元2的直流放大系数G=2时，电阻器Rl、R2、R3、R4和电容器Cl、C2的参数及的设计须符合下述公式R3=R4 ；R3+R4=K*R1=R1 ；R2=K*R1/G= Rl/2 ； C1*R3*R4/(R3+R4)=C2*R2例如附图3，设 R3=R4=100k，R1=R3+R4=200k，R2=Rl/2=100k，当 C2 为 470nF 时，Cl=2*C2=940nF ;由于符合上述设计公式，故其具有平坦的直到直流的平坦低频频率响应如附图6。否则，如果任意变化参数，例如附图7将附图3的Cl增大I倍到I. 88uF，则低频特性变差如附图8，在2. 5Hz出现3. 54dB的谐振峰。例如，为了保证得到良好的传输系数K=I的低频特性，当后置滤波器单元2的直流 放大系数G=I时，电阻器Rl、R2、R3、R4和电容器Cl、C2的参数及的设计须符合下述公式R3=R4 ；R3+R4=K*R1=R1 ；R2=K*R1/G= Rl ；C1*R3*R4/(R3+R4)=C2*R2
如附图4，设 R3=R4=100k，R1=R3+R4=200k，R2=Rl=200k，当 C2 为 470nF 时，C1=4*C2=1. 88uF ;由于符合上述设计公式，故其具有直到直流的平坦低频频率响应如附图9。若允许本滤波器的输出反相，即滤波放大系数为-1，则可以省去反相放大器0P1，将输入信号直接接到电阻器Rl的一端。如附图10。如果采用八阶低通椭圆函数开关电容滤波器MAX293集成电路芯片，抗混滤波器单元使用MAX293内部的抗混滤波器单元，如果允许MAX293的内部的反相放大器存在大的失调电压及对输出工作点稳定性的影响，反相放大器0P2使用MAX293的内部的反相放大器，如附图11所示，则电路含有反相放大器0P1、内含反相放大器0P2和抗混滤波单元的MAX293、后置滤波器单元和电阻器Rl、R2、R3、R4，电容器Cl、C2，输入信号接到放大系数为-I的反相放大器OPl的输入端，OPl的输出端接到电阻器Rl的一端，电阻器Rl的另一端接到MAX293的CPIN亦即其内含反相放大器0P2的负输入端，反相放大器0P2的正输入端接地GND，反相放大器0P2的输出端亦即MAX293的CPOUT接电容器C2的一端，电容器C2的另一端接电阻器R2的一端，电阻器R2的另一端接反相放大器0P2的负输入端亦即MAX293的CPIN端；反相放大器0P2的输出端亦即MAX293的CPOUT端，还接到MAX293的IN端亦即抗混滤波单元的输入端IN1，抗混滤波单元的输出端01亦即MAX293的OUT端，接到后置滤波器单元的输入端IN2，后置滤波器单元的输出端02输出最终的克服了直流工作点偏移或漂移的滤波信号；后置滤波器单元的输出端02还接到电阻器R4的一端，电阻器R4的另一端接到电容器Cl的一端和电阻器R3的一端，电容器Cl的另一端接地GND，电阻器R3的另一端接到反相放大器0P2的负输入端亦即MAX293的CPIN端，频率发生器输出的控制信号FK接到MAX293的KLC端，亦即抗混滤波单元的抗混频率输入端FK，MAX293的AGND端接地GND, MAX293的V+端接电源+5V，MAX293的V-端接电源-5V ;如附图11。 供给MAX293的KLC端的抗混控制信号之抗混控制频率FK由控制采样与抗混滤波频率的频率发生器提供，该频率发生器含有安装在被检测的机器的转轴上的转速传感器、采样频率发生器和抗混频率发生器，转速传感器输出的等于轴转动频率FN之A倍的转速信号AFN，接到采样频率发生器的输入端FNIN，但需要的采样频率FC=N*FN时，采样频率发生器内部对AFN信号进行B=N/A倍频，输出FC=N*FN的信号，提供AD变换器作为进行转速跟踪采样的控制频率；该FC信号还接到抗混频率发生器的FKIN输入端，当所用的抗混滤波单元的抗混控制系数为X时，为了保证抗混滤波上限频率FH〈=FC/2，则抗混频率发生器的输出频率FK〈=X*FH=X*FC/2，为此，由抗混频率发生器对FKIN输入的频率为FC的信号进行C〈=X/2的倍频，由抗混频率发生器的FK端输出FK信号，接到抗混滤波单元的FK输入端，如附图12。其中，采样频率发生器和抗混频率发生器，均由公知的分频器和倍频器组合而成。例如采样频率发生器中，可以对输入的信号频率FNIN=A*FN进行N倍频，然后进行A分频而实现B=A *N/A=N的倍频，得到FC=N*FN ;例如抗混频率发生器中，可以对输入的信号频率FKIN=N*FN=FC进行C ( X/2倍频，而得到FK=N*FN*C ( N*FN*X/2的倍频要求；所述的倍频器可以使用公知的CD4046锁相倍频器或其他倍频器。 如附图13，由于由前置低通滤波器输出到本抗混滤波器的信号UI的幅度达到10VP,而本抗混滤波器使用MAX293作抗混滤波单元时，允许使用的电源电压为V+=5V、V-=-5V,为了保证得到良好的传输系数为K=I的低频特性，而又不至于使MAX293发生限幅，需要对输入信号衰减到1/4，故后置滤波器应设计为直流和低通频带放大系数是G=4的固定低通滤波器，则电阻器R1、R2、R3、R4和电容器C1、C2的参数用下述公式设计推荐R3=R4=150k ；R3+R4=K*R1 ;则 Rl= (R3+R4) /K=300kR2=K*Rl/G=l*300k/4=75k取C2=470nF，则由C1*R3*R4/(R3+R4)=C2*R2则Cl= C2*R2*(R3+R4)/( R3*R4)=C2*75*(150+150)/(150*150)=C2=470nF
当输入信号的直流分量为IV，抗混滤波单元没有失调电压(VSl=OV)时，后置滤波输出电压为IV，电路正确地传输了信号的直流电压，如附图13。当输入信号的直流分量为0V，抗混滤波单元存在IV失调电压(VSl=IV)时，后置滤波输出电压为0V，电路有效地抑制了抗混滤波单元的失调电压，如附图14。当输入信号的直流分量为IV，抗混滤波单元存在IV失调电压(VSl=IV)时，后置滤波输出电压为IV，电路有效地抑制了抗混滤波单元的失调电压，同时正确地传输了信号的直流电压，如附图15。当抗混控制频率FK=IOOkHz时，后置滤波输出端的频率响应在FK/X=100kHz/100=lkHz时为_2. 96dB，符合要求；在IuHz IkHz频带内有OdB的平坦频率响应，符合要求；见附图16。当输入信号中没有直流分量，但有1VP50HZ的交流信号，抗混滤波单元存在IV失调电压(VSl=IV)时，后置滤波输出的直流电压(平均值)为O. 0001036V,电路有效地抑制了抗混滤波单元的失调电压；同时交流信号约为I. 01019VP50HZ,以1%的误差传输了信号的交流电压，如附图17。
权利要求
1.、一种自动稳零转速跟踪抗混滤波器，包括抗混滤波器単元、后置滤波器単元，其特征在干，还包括反相放大器、控制采样与抗混滤波频率的频率发生器、电阻、电容，当要求所述抗混滤波器滤波放大系数为K时，第一反相放大器OPl通过第一电阻Rl接入第二反相放大器0P2的负输入端，第二反相放大器0P2的正输入端接地，第二反相放大器0P2的输出端与抗混滤波器单元的输入端、第二电容C2连接，第二电容C2与第二电阻R2串联，第二电阻R2接入第一电阻Rl和第二反相放大器0P2负输入端之间，抗混滤波器単元的输出端接入后置滤波器単元的输入端，后置滤波器単元的输出端与第四电阻R4连接，第四电阻R4与第三电阻R3串联，第三电阻R3接入第一电阻Rl和第二反相放大器0P2负输入端之间，第一电容Cl 一端接入第三电阻R3和第四电阻R4之间，第一电容Cl另一端接地，抗混滤波器単元的抗混频率输入端与控制采样与抗混滤波频率的频率发生器连接；当要求所述抗混滤波器滤波放大系数为-K时，第一电阻Rl接入第二反相放大器0P2的负输入端，第二反相放大器0P2的正输入端接地，第二反相放大器0P2的输出端与抗混滤波器単元的输入端、第二电容C2连接，第二电容C2与第二电阻R2串联，第二电阻R2接入第一电阻Rl和第二反相放大器0P2负输入端之间，抗混滤波器単元的输出端接入后置滤波器単元的输入端，后置滤波器单元的输出端与第四电阻R4连接，第四电阻R4与第三电阻R3串联，第三电阻R3接入第一电阻Rl和第二反相放大器0P2负输入端之间，第一电容Cl 一端接入第三电阻R3和第四电阻R4之间，第一电容Cl另一端接地，抗混滤波器単元的抗混频率输入端与控制采样与抗混滤波频率的频率发生器连接。
2.根据权利要求I所述的自动稳零转速跟踪抗混滤波器，其特征在于，所述第一反相放大器OPl的放大系数为-I。
3.根据权利要求I所述的自动稳零转速跟踪抗混滤波器，其特征在于，所述电阻R1、R2、R3、R4和电容Cl、C2的參数设计符合下述公式R3=R4 ；R3+R4=K*R1 ；R2=K*R1/G ；C1*R3*R4/(R3+R4)=C2*R2。
其中，K为自动稳零转速跟踪抗混滤波器的低频传输系数，G为后置滤波器単元2的直流放大系数。
4.根据权利要求I所述的自动稳零转速跟踪抗混滤波器，其特征在于，所述第二反相放大器0P2和抗混滤波器単元分别为八阶低通椭圆函数开关电容滤波器MAX293集成电路芯片内的反相放大器和抗混滤波器単元；输入信号接到第一反相放大器OPl的输入端，第一反相放大器OPl的输出端接到第一电阻Rl的一端，第一电阻Rl的另一端接到MAX293的CPIN, MAX293的CPOUT接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接MAX293的CPIN端；MAX293的CPOUT端接到MAX293的IN端，MAX293的OUT端接到后置滤波单元的输入端IN2，后置滤波单元的输出端02输出最终的克服了直流工作点偏移或漂移的滤波信号；后置滤波单元的输出端02还接到第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端接到第一电容Cl的一端和第三电阻R3的一端,第三电容Cl的另一端接地GND，第三电阻R3的另一端接到MAX293的CPIN端，采样与抗混频率发生器3输出的控制信号FK接到MAX293的KLC端，MAX293的AGND端接地GND，MAX293的V+端接电源+5V，MAX293的V-端接电源-5V。
5.根据权利要求I所述的自动稳零转速跟踪抗混滤波器，其特征在于，所述控制采样与抗混滤波频率的频率发生器包括依次连接的转速传感器、采样频率发生器和抗混频率发生器。
6.根据权利要求5所述的自动稳零转速跟踪抗混滤波器，其特征在干，当所述自动稳零转速跟踪抗混滤波器作为自动稳零固定频率抗混滤波器使用吋，控制采样与抗混滤波频率的频率发生器为频率固定的信号发生器。
全文摘要
本发明公开了一种自动稳零转速跟踪抗混滤波器，含有反相放大器OP1、OP2，抗混滤波单元、后滤波器单元、采样与抗混频率发生器和电阻器R1、R2、R3、R4，电容器C1、C2，是一种低频特性可达到直流信号的自动稳零抗混滤波器，主要用于解决对信号进行转速自动跟踪采样的自适应低通抗混滤波时实现从直流到抗混滤波频率上限的整个频带的自动稳零，并保证滤波频带内有平坦的频率响应，以克服传统原理型的经典抗混滤波器的直流工作点无规律偏移问题和隔直流传输时低频传输特性变差的问题。
文档编号H03H9/46GK102664603SQ201210185888
公开日2012年9月12日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日
发明者唐德尧, 施文钦 申请人:唐德尧