一种用于gmi磁传感器的陷波滤波方法及电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于GMI磁传感器的陷波滤波方法及电路，陷波滤波方法步骤包括将输入信号进行幅相变换，且仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位不变；将幅相变换后的信号与原始输入信号两者进行差分合成后输出；陷波滤波电路包括幅相变换模块和差分合成模块，幅相变换模块仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位不变，所述差分合成模块将幅相变换后的信号与原始输入信号两者进行差分合成后输出。本发明利用信号的幅相变换和差分合成的方式可以有效的将生物弱电、磁检测领域中工频电磁干扰信号的滤除，可广泛应用于工程实际中陷波衰减倍数要求高、所用电阻电容器匹配度不高的应用场合，具有衰减倍数高，且允许电容电阻器轻度不匹配的优点。
【专利说明】
一种用于GMI磁传感器的陷波滤波方法及电路
技术领域
[0001] 本发明涉及GMI磁传感器的信号检测技术，具体涉及一种用于GMI磁传感器的陷波 滤波方法及电路。
【背景技术】
[0002] GMI效应，即当软磁性材料（多为Co基非晶和Fe基纳米晶）的丝或条带通以交流电 流Ia。时，材料两端的交流电压仏随着丝纵向所加的外磁场的变化而灵敏变化的现象，其 实质是非晶丝自身的阻抗随外加磁场的灵敏变化。
[0003] 基于GMI效应设计的GMI磁传感器包含软磁性材料（多为Co基非晶和Fe基纳米晶） 的丝或条带构成的感应线圈，通过感应线圈，可以将软磁性材料的阻抗变化值转化为材料 两端的交流电压1，从而实现对外磁场的测量。基于GMI效应设计的传感器具有很好的弱 磁探测性能，其探测灵敏度可达ΙρΤ，可以用于非屏蔽环境下极其微弱生物磁场的探测，比 如心磁场、肺磁场、脑磁场等。但是，我们目前生活的环境中电磁污染十分严重，常见的都市 电磁噪声都达到nT级别，而这部分噪声主要是功率器件产生的工频以及其各次谐波的扰动 磁场，因此当GMI磁传感器用于非屏蔽环境下ρΤ磁场探测时，必须对都市噪声进行有效的滤 除，即主要对工频干扰进行滤除。
[0004] 针对对工频干扰进行滤除，传统的方法是采用双Τ型拓扑结构陷波滤波器对特定 频率的信号进行滤除，但是双Τ型拓扑结构陷波滤波器对电阻器的匹配度有着极其严格的 要求，电阻电容器的稍微一点不匹配将会使陷波深度快速下降，即使使用精密的电容电阻 器，也很难达到理想的滤波效果，因此通常被用于衰减倍数要求不高的场合。但是GMI磁传 感器用于非屏蔽环境下进行ΡΤ磁场检测时，对特定频率信号的衰减要求十分严格，要求衰 减倍数需达到1000倍(_60dB)，考虑到工程应用环境需要允许电阻电容器轻度不匹配，精密 电容电阻器即可满足要求，这样传统的双T拓扑结构陷波滤波器很难达到要求。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题:针对周围环境电磁污染十分严重的情况下，当使用GMI 磁传感器在非屏蔽环境下皮特斯拉生物磁场探测中工频及其各次谐波信号干扰尤为严重 的技术问题，提供一种利用两路差分信号进行合成的方式将工频电磁干扰信号抵消掉，可 广泛应用于工程实际中陷波电路衰减倍数要求高、所用电阻电容器匹配度不高的应用场 合，衰减倍数高，且允许电容电阻器轻度不匹配的用于GMI磁传感器的陷波滤波方法及电 路。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种用于GMI磁传感器的陷波滤波方法，步骤包括：
[0008] 1)将输入信号进行幅相变换，且仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位不变；
[0009] 2)将幅相变换后的信号与原始输入信号两者进行差分合成后输出。
[0010] 优选地，所述步骤1)具体是指通过二阶级联巴特沃斯带通滤波器将输入信号进行 幅相变换，所述二阶级联巴特沃斯带通滤波器的中心频率为待滤除干扰信号的频率、增益 为Ιο
[0011] 优选地，所述二阶级联巴特沃斯带通滤波器包括级联布置的两级电路，两级电路 中第一级电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和运算放大器U1，运算放大器U1 的负极输入端接参考电压、正极输入端依次通过电容C1、电阻R1和待滤波信号相连，电阻R2 一端连接于电容C1和电阻R1之间、另一端接参考电压，电阻R3串接布置于运算放大器U1的 正极输入端和输出端之间，电容C2-端连接于电容C1和电阻R1之间、另一端和运算放大器 U1的输出端相连;两级电路中第二级电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3、电容C4和运 算放大器U2,运算放大器U2的负极输入端接参考电压、正极输入端依次通过电容C3、电阻R4 和运算放大器U1的输出端相连，电阻R5-端连接于电容C3和电阻R4之间、另一端接参考电 压，电阻R6串接布置于运算放大器U2的正极输入端和输出端之间，电容C4一端连接于电容 C3和电阻R4之间、另一端和运算放大器U2的输出端相连。
[0012] 优选地，所述步骤2)具体是指通过比例运算电路将幅相变换后的信号与原始输入 信号两者进行差分合成后输出。
[0013] 优选地，所述比例运算电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9和运算放大器U3,运算放 大器U3的负极输入端通过电阻R7和幅相变换后的信号相连、正极输入端和原始输入信号相 连，电阻R9串接布置于运算放大器U3的正极输入端和输出端之间。
[0014] -种用于GMI磁传感器的陷波滤波电路，包括幅相变换模块和差分合成模块，输入 信号分成为两路，一路输入信号通过幅相变换模块进行幅相变换后输出至差分合成模块的 一个输入端、另一路输入信号直接输出至差分合成模块的另一个输入端，所述幅相变换模 块仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位不变，所述差分合成模块将幅相变换后的信号与 原始输入信号两者进行差分合成后输出。
[0015] 优选地，所述幅相变换模块为二阶级联巴特沃斯带通滤波器，所述二阶级联巴特 沃斯带通滤波器的中心频率为待滤除干扰信号的频率、增益为1。
[0016] 优选地，所述二阶级联巴特沃斯带通滤波器包括级联布置的两级电路，两级电路 中第一级电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和运算放大器U1，运算放大器U1 的负极输入端接参考电压、正极输入端依次通过电容C1、电阻R1和待滤波信号相连，电阻R2 一端连接于电容C1和电阻R1之间、另一端接地，电阻R3串接布置于运算放大器U1的正极输 入端和输出端之间，电容C2-端连接于电容C1和电阻R1之间、另一端和运算放大器U1的输 出端相连;两级电路中第二级电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3、电容C4和运算放大 器U2,运算放大器U2的负极输入端接参考电压、正极输入端依次通过电容C3、电阻R4和运算 放大器U1的输出端相连，电阻R5-端连接于电容C3和电阻R4之间、另一端接参考电压，电阻 R6串接布置于运算放大器U2的正极输入端和输出端之间，电容C4一端连接于电容C3和电阻 R4之间、另一端和运算放大器U2的输出端相连。
[0017]优选地，所述差分合成模块为比例运算电路。
[0018] 优选地，所述比例运算电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9和运算放大器U3,运算放 大器U3的负极输入端通过电阻R7和幅相变换后的信号相连、正极输入端和原始输入信号相 连，电阻R9串接布置于运算放大器U3的正极输入端和输出端之间。
[0019] 本发明用于GMI磁传感器的陷波滤波方法具有下述优点：本发明首先将输入信号 进行幅相变换，且仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位不变，将幅相变换后的信号与原始 输入信号两者进行差分合成后输出，从而使得幅相变换后的信号与原始输入信号中幅值不 变、相位不变的待滤除干扰信号在差分合成的过程中被消除，能够将工频电磁干扰信号抵 消掉，可广泛应用于工程实际中陷波电路衰减倍数要求高、所用电阻电容器匹配度不高的 应用场合，具有衰减倍数高，且允许电容电阻器轻度不匹配的优点。
[0020]本发明用于GMI磁传感器的陷波滤波电路为本发明用于GMI磁传感器的陷波滤波 方法对应的电路结构，因此同样也具有上述优点，在此不再赘述。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明实施例陷波滤波电路的电路结构示意图。
[0022]图2为本发明实施例中幅相变换模块幅值特性模拟结果。
[0023]图3为本发明实施例中幅相变换模块相位特性模拟结果。
【具体实施方式】
[0024] 本实施例用于GMI磁传感器的陷波滤波方法的步骤包括：
[0025] 1)将输入信号进行幅相变换，且仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位不变；
[0026] 2)将幅相变换后的信号与原始输入信号两者进行差分合成后输出。
[0027] 本实施例中，步骤1)具体是指通过二阶级联巴特沃斯带通滤波器将输入信号进行 幅相变换，二阶级联巴特沃斯带通滤波器的中心频率为待滤除干扰信号的频率、增益为1， 这样可以将中心频率(待滤除干扰信号）的相位前移360°。二阶级联巴特沃斯带通滤波器的 品质因素优选采用2或5或10。
[0028] 本实施例中，步骤2)具体是指通过比例运算电路将幅相变换后的信号与原始输入 信号两者进行差分合成后输出。
[0029] 如图1所示，本实施例用于GMI磁传感器的陷波滤波电路包括幅相变换模块和差分 合成模块，输入信号分成为两路，一路输入信号通过幅相变换模块进行幅相变换后输出至 差分合成模块的一个输入端、另一路输入信号直接输出至差分合成模块的另一个输入端， 所述幅相变换模块仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位不变，所述差分合成模块将幅相 变换后的信号与原始输入信号两者进行差分合成后输出。
[0030] 本实施例中，幅相变换模块为二阶级联巴特沃斯带通滤波器，所述二阶级联巴特 沃斯带通滤波器的中心频率为待滤除干扰信号的频率、增益为1，这样可以将中心频率(待 滤除干扰信号）的相位前移360°。此外，幅相变换模块也可以根据需要采用其他类型的幅相 变换电路，只要仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位不变，都可以实现幅相变换后的信号 与原始输入信号两者之间的待滤除干扰信号幅值不变、相位不变，从而将幅相变换后的信 号与原始输入信号两者进行差分合成时可以滤除其中的待滤除干扰信号。如图1所示，二阶 级联巴特沃斯带通滤波器包括级联布置的两级电路，两级电路中第一级电路包括电阻R1、 电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和运算放大器U1，运算放大器U1的负极输入端接参考电压、 正极输入端依次通过电容C1、电阻R1和待滤波信号相连，电阻R2-端连接于电容C1和电阻 R1之间、另一端接地，电阻R3串接布置于运算放大器U1的正极输入端和输出端之间，电容C2 一端连接于电容C1和电阻R1之间、另一端和运算放大器U1的输出端相连;两级电路中第二 级电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3、电容C4和运算放大器U2,运算放大器U2的负极 输入端接参考电压、正极输入端依次通过电容C3、电阻R4和运算放大器U1的输出端相连，电 阻R5-端连接于电容C3和电阻R4之间、另一端接参考电压，电阻R6串接布置于运算放大器 U2的正极输入端和输出端之间，电容C4一端连接于电容C3和电阻R4之间、另一端和运算放 大器U2的输出端相连。需要说明的是，二阶级联巴特沃斯带通滤波器的参考电压可以接地 (相当于0V)，也可以根据需要采用其他参考电压(例如2.5V等）。
[0031 ]本实施例中，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4四者取值相同（同为Cf)，根据级联型 巴特沃斯滤波器归一化表，可以确定二阶级联巴特沃斯带通滤波器各级参数如下：
[0032]两级电路中第一级电路的传递函数和中心频率如式(1)所示；
[0034]式（1)中，AKs)表示两级电路中第一级电路的传递函数，fo为二阶级联巴特沃斯带 通滤波器的中心频率，S为拉普拉斯算子，(^表示电容C1的电容值，(：2表示电容C2的电容值， Ri表不电阻R1的电阻值，R2表不电阻R2的电阻值，R3表不电阻R3的电阻值。
[0035]设〇? = & = (：2,则有式(2);
[0037] 式（2)中，Ri表不电阻R1的电阻值，R2表不电阻R2的电阻值，R3表不电阻R3的电阻 值，Q为二阶级联巴特沃斯带通滤波器的品质因素(一般取2或5或10)，fQ为二阶级联巴特沃 斯带通滤波器的中心频率(待过滤工频干扰信号的频率），^为两级电路中第一级电路的增 益(放大倍数），C f为电容C1及电容C2的电容值。
[0038]两级电路中第一级电路的传递函数和中心频率如式(3)所示；
[0040]式(3)中，A2(s)表示两级电路中第二级电路的传递函数，fo为二阶级联巴特沃斯带 通滤波器的中心频率，S为拉普拉斯算子，C3表示电容C3的电容值，C4表示电容C4的电容值， R4表不电阻R4的电阻值，R5表不电阻R5的电阻值，R6表不电阻R6的电阻值。
[0041]设 cf = C3 = C4,则有式(4);
[0043 ] 式(4)中，R4表不电阻R4的电阻值，R5表不电阻R5的电阻值，R6表不电阻R6的电阻值 Q为二阶级联巴特沃斯带通滤波器的品质因素，f〇为二阶级联巴特沃斯带通滤波器的中心 频率，A2为两级电路中第二级电路的增益(放大倍数），Cf为电容C3及电容C4的电容值。由于 二阶级联巴特沃斯带通滤波器增益为1，则可知两级电路中第一级电路的增益A4P两级电 路中第二级电路的增益如满足下述关系: Al · A2 = 1。这样可以将二阶级联巴特沃斯带通滤 波器的输出作为差分合成模块的一个输入端，差分合成模块的另一个输入端为原始信号的 输入端。这样，电阻R7端输入信号为原始信号的工频干扰信号不变，其他信号有一定程度衰 减的信号，当与原始信号作差时，工频干扰信号就能够被抵消。
[0044] 参见图2所示本实施例二阶级联巴特沃斯带通滤波器的幅值特性模拟结果，通过 二阶级联巴特沃斯带通滤波器进行幅相变换后，二阶级联巴特沃斯带通滤波器的中心频率 f〇(待滤除干扰信号的频率)对应的增益G为1。参见图3所示本实施例二阶级联巴特沃斯带 通滤波器的相位特性模拟结果，通过二阶级联巴特沃斯带通滤波器进行幅相变换后，输入 信号的相位被转换到-180°~180°之间，且其中二阶级联巴特沃斯带通滤波器的中心频率 f〇(待滤除干扰信号的频率)对应的相位为0。因此，根据上述模拟结果可见，二阶级联巴特 沃斯带通滤波器能够将输入信号进行幅相变换，且仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位 不变。
[0045] 本实施例中，差分合成模块为比例运算电路。如图1所示，比例运算电路包括电阻 R7、电阻R8、电阻R9和运算放大器U3,运算放大器U3的负极输入端通过电阻R7和幅相变换后 的信号相连、正极输入端和原始输入信号相连，电阻R9串接布置于运算放大器U3的正极输 入端和输出端之间。在图1所示比例放大电路中，电阻R7的电阻大小将由电阻R8和电阻R9决 定，公式为R7 = R8//R9，放大倍数G由R8和R9决定，公式为G= 1+R9/R8。此外，差分合成模块 也可以根据需要采用其他类型的差分合成电路。
[0046] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种用于GMI磁传感器的陷波滤波方法，其特征在于步骤包括： 1) 将输入信号进行幅相变换，且仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位不变； 2) 将幅相变换后的信号与原始输入信号两者进行差分合成后输出。2. 根据权利要求1所述的用于GMI磁传感器的陷波滤波方法，其特征在于，所述步骤1) 具体是指通过二阶级联巴特沃斯带通滤波器将输入信号进行幅相变换，所述二阶级联巴特 沃斯带通滤波器的中心频率为待滤除干扰信号的频率、增益为1。3. 根据权利要求2所述的用于GMI磁传感器的陷波滤波方法，其特征在于:所述二阶级 联巴特沃斯带通滤波器包括级联布置的两级电路，两级电路中第一级电路包括电阻R1、电 阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和运算放大器U1，运算放大器U1的负极输入端接参考电压、正 极输入端依次通过电容C1、电阻R1和待滤波信号相连，电阻R2-端连接于电容C1和电阻R1 之间、另一端接参考电压，电阻R3串接布置于运算放大器U1的正极输入端和输出端之间，电 容C2-端连接于电容C1和电阻R1之间、另一端和运算放大器U1的输出端相连;两级电路中 第二级电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3、电容C4和运算放大器U2,运算放大器U2的 负极输入端接参考电压、正极输入端依次通过电容C3、电阻R4和运算放大器U1的输出端相 连，电阻R5-端连接于电容C3和电阻R4之间、另一端接参考电压，电阻R6串接布置于运算放 大器U2的正极输入端和输出端之间，电容C4一端连接于电容C3和电阻R4之间、另一端和运 算放大器U2的输出端相连。4. 根据权利要求1所述的用于GMI磁传感器的陷波滤波方法，其特征在于，所述步骤2) 具体是指通过比例运算电路将幅相变换后的信号与原始输入信号两者进行差分合成后输 出。5. 根据权利要求4所述的用于GMI磁传感器的陷波滤波方法，其特征在于:所述比例运 算电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9和运算放大器U3,运算放大器U3的负极输入端通过电阻 R7和幅相变换后的信号相连、正极输入端和原始输入信号相连，电阻R9串接布置于运算放 大器U3的正极输入端和输出端之间。6. -种用于GMI磁传感器的陷波滤波电路，其特征在于:包括幅相变换模块和差分合成 模块，输入信号分成为两路，一路输入信号通过幅相变换模块进行幅相变换后输出至差分 合成模块的一个输入端、另一路输入信号直接输出至差分合成模块的另一个输入端，所述 幅相变换模块仅保持待滤除干扰信号幅值不变、相位不变，所述差分合成模块将幅相变换 后的信号与原始输入信号两者进行差分合成后输出。7. 根据权利要求6所述的用于GMI磁传感器的陷波滤波电路，其特征在于:所述幅相变 换模块为二阶级联巴特沃斯带通滤波器，所述二阶级联巴特沃斯带通滤波器的中心频率为 待滤除干扰信号的频率、增益为1。8. 根据权利要求7所述的用于GMI磁传感器的陷波滤波电路，其特征在于:所述二阶级 联巴特沃斯带通滤波器包括级联布置的两级电路，两级电路中第一级电路包括电阻R1、电 阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和运算放大器U1，运算放大器U1的负极输入端接参考电压、正 极输入端依次通过电容C1、电阻R1和待滤波信号相连，电阻R2-端连接于电容C1和电阻R1 之间、另一端接地，电阻R3串接布置于运算放大器U1的正极输入端和输出端之间，电容C2- 端连接于电容C1和电阻R1之间、另一端和运算放大器U1的输出端相连;两级电路中第二级 电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3、电容C4和运算放大器U2，运算放大器U2的负极输 入端接参考电压、正极输入端依次通过电容C3、电阻R4和运算放大器U1的输出端相连，电阻 R5-端连接于电容C3和电阻R4之间、另一端接参考电压，电阻R6串接布置于运算放大器U2 的正极输入端和输出端之间，电容C4一端连接于电容C3和电阻R4之间、另一端和运算放大 器U2的输出端相连。9. 根据权利要求6所述的用于GMI磁传感器的陷波滤波电路，其特征在于:所述差分合 成模块为比例运算电路。10. 根据权利要求9所述的用于GMI磁传感器的陷波滤波电路，其特征在于:所述比例运 算电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9和运算放大器U3,运算放大器U3的负极输入端通过电阻 R7和幅相变换后的信号相连、正极输入端和原始输入信号相连，电阻R9串接布置于运算放 大器U3的正极输入端和输出端之间。
【文档编号】H03H9/54GK106026966SQ201610313456
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】徐 明, 周宗潭, 胡德文, 王志华, 郭善磁
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学