基于集成運(yùn)放的低頻信號共模和差模成分的分離

張成懷

(河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050018)

電子設(shè)備通常會(huì)受到各種電磁干擾,干擾包含傳導(dǎo)干擾和輻射干擾,傳導(dǎo)干擾又包含共模干擾和差模干擾[1-5],由于共模干擾信號和差模干擾信號產(chǎn)生的機(jī)理和耦合途徑不同,需要設(shè)計(jì)不同的濾波器來進(jìn)行抑制[6-8].一對模擬信號既含有共模成分又含有差模成分,所以需要將信號的共模和差模成分進(jìn)行分離[9-10],然后采取相應(yīng)措施對其中無用信號加以抑制.已知文獻(xiàn)大多對高頻信號的共模和差模成分進(jìn)行分離研究,沒有對低頻信號的共模和差模成分的分離做專門研究.本文中,筆者基于集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了一個(gè)將低頻模擬信號的共模成分和差模成分分離的新電路.

集成運(yùn)算放大器的輸入端具有“虛短路”和“虛斷路”的特征[11-12],如果給運(yùn)算放大器引入負(fù)反饋,使集成運(yùn)放工作在線性區(qū),該電路可對直流信號和50 kHz及其以下的低頻信號完成各種運(yùn)算,包括加法運(yùn)算、減法運(yùn)算等[13].

圖1 一對相對于地的模擬信號ui1和ui2Fig.1 A Pair of Analog Signals ui1 and ui2 Relative to Ground

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(2)

圖2 加法運(yùn)算電路Fig.2 Addition Operation Circuit

圖3 減法運(yùn)算電路Fig.3 Subtraction Operation Circuit

1 同相加法運(yùn)算電路輸出共模成分的仿真

1.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 電壓相量和的取值Tab.1 The Value of the Voltage °V

1.2 仿真電路及仿真結(jié)果

根據(jù)圖2,由電路仿真軟件Multisim構(gòu)建仿真電路,頻率為1 kHz的加法運(yùn)算仿真電路如圖4所示,頻率為50 kHz的加法運(yùn)算仿真電路如圖5所示,運(yùn)放為理想運(yùn)放,用萬用表測量電路的輸出電壓有效值.

圖4 頻率為1 kHz的共模輸出的加法運(yùn)算仿真電路Fig.4 Addition Operation Simulation Circuit with Common Mode Output with 1 kHz Frequency

圖5 頻率為50 kHz的共模輸出的加法運(yùn)算仿真電路Fig.5 Addition Operation Simulation Circuit with Common Mode Output with 50 kHz Frequency

表2 共模輸出電壓有效值Uo1的仿真結(jié)果Tab.2 The Simulation Result of Common Mode Output Effective Value Uo1

2 減法運(yùn)算電路輸出差模成分的仿真

根據(jù)圖3,由仿真軟件Multisim構(gòu)建仿真電路,頻率為1 kHz的減法運(yùn)算仿真電路如圖6所示,頻率為50 kHz的減法運(yùn)算仿真電路如圖7所示,運(yùn)放仍然為理想運(yùn)放,用萬用表測量電路的輸出電壓Uo2.

圖6 頻率為1kHz的差模輸出的減法運(yùn)算仿真電路Fig.6 Subtraction Operation Simulation Circuit with Differential Mode Output with 1 kHz Frequency

圖7 頻率為50 kHz的差模輸出的減法運(yùn)算仿真電路Fig.7 Subtraction Operation Simulation Circuit with Differential Mode Output with 50 kHz Frequency

表3 差模輸出電壓有效值Uo2的仿真結(jié)果Tab.3 The Simulation Result of Differential Mode Output Effective Value Uo2

3 結(jié)束語

隨著社會(huì)的高速發(fā)展,電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜,電子設(shè)備會(huì)受到來自各方面的干擾,包括共模干擾和差模干擾,要抑制共模和差模干擾,需要設(shè)計(jì)不同的濾波器.干擾信號通常包含共模成分和差模成分,基于集成運(yùn)放構(gòu)建了一個(gè)加法運(yùn)算電路和一個(gè)減法運(yùn)算電路,用來將低頻模擬信號的共模成分和差模成分進(jìn)行分離,同時(shí)檢測了共模成分和差模成分的強(qiáng)度,電路仿真的結(jié)果和理論值相符,結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電路在較寬的頻段上是有效的.