一種用于gmi磁傳感器的陷波濾波方法及電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法及電路，陷波濾波方法步驟包括將輸入信號進行幅相變換，且僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位不變；將幅相變換后的信號與原始輸入信號兩者進行差分合成后輸出；陷波濾波電路包括幅相變換模塊和差分合成模塊，幅相變換模塊僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位不變，所述差分合成模塊將幅相變換后的信號與原始輸入信號兩者進行差分合成后輸出。本發明利用信號的幅相變換和差分合成的方式可以有效的將生物弱電、磁檢測領域中工頻電磁干擾信號的濾除，可廣泛應用于工程實際中陷波衰減倍數要求高、所用電阻電容器匹配度不高的應用場合，具有衰減倍數高，且允許電容電阻器輕度不匹配的優點。
【專利說明】
一種用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法及電路
技術領域
[0001] 本發明涉及GMI磁傳感器的信號檢測技術，具體涉及一種用于GMI磁傳感器的陷波 濾波方法及電路。
【背景技術】
[0002] GMI效應，即當軟磁性材料（多為Co基非晶和Fe基納米晶）的絲或條帶通以交流電 流Ia。時，材料兩端的交流電壓仏隨著絲縱向所加的外磁場的變化而靈敏變化的現象，其 實質是非晶絲自身的阻抗隨外加磁場的靈敏變化。
[0003] 基于GMI效應設計的GMI磁傳感器包含軟磁性材料（多為Co基非晶和Fe基納米晶） 的絲或條帶構成的感應線圈，通過感應線圈，可以將軟磁性材料的阻抗變化值轉化為材料 兩端的交流電壓1，從而實現對外磁場的測量。基于GMI效應設計的傳感器具有很好的弱 磁探測性能，其探測靈敏度可達ΙρΤ，可以用于非屏蔽環境下極其微弱生物磁場的探測，比 如心磁場、肺磁場、腦磁場等。但是，我們目前生活的環境中電磁污染十分嚴重，常見的都市 電磁噪聲都達到nT級別，而這部分噪聲主要是功率器件產生的工頻以及其各次諧波的擾動 磁場，因此當GMI磁傳感器用于非屏蔽環境下ρΤ磁場探測時，必須對都市噪聲進行有效的濾 除，即主要對工頻干擾進行濾除。
[0004] 針對對工頻干擾進行濾除，傳統的方法是采用雙Τ型拓撲結構陷波濾波器對特定 頻率的信號進行濾除，但是雙Τ型拓撲結構陷波濾波器對電阻器的匹配度有著極其嚴格的 要求，電阻電容器的稍微一點不匹配將會使陷波深度快速下降，即使使用精密的電容電阻 器，也很難達到理想的濾波效果，因此通常被用于衰減倍數要求不高的場合。但是GMI磁傳 感器用于非屏蔽環境下進行ΡΤ磁場檢測時，對特定頻率信號的衰減要求十分嚴格，要求衰 減倍數需達到1000倍(_60dB)，考慮到工程應用環境需要允許電阻電容器輕度不匹配，精密 電容電阻器即可滿足要求，這樣傳統的雙T拓撲結構陷波濾波器很難達到要求。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題:針對周圍環境電磁污染十分嚴重的情況下，當使用GMI 磁傳感器在非屏蔽環境下皮特斯拉生物磁場探測中工頻及其各次諧波信號干擾尤為嚴重 的技術問題，提供一種利用兩路差分信號進行合成的方式將工頻電磁干擾信號抵消掉，可 廣泛應用于工程實際中陷波電路衰減倍數要求高、所用電阻電容器匹配度不高的應用場 合，衰減倍數高，且允許電容電阻器輕度不匹配的用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法及電 路。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：
[0007] -種用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法，步驟包括：
[0008] 1)將輸入信號進行幅相變換，且僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位不變；
[0009] 2)將幅相變換后的信號與原始輸入信號兩者進行差分合成后輸出。
[0010] 優選地，所述步驟1)具體是指通過二階級聯巴特沃斯帶通濾波器將輸入信號進行 幅相變換，所述二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的中心頻率為待濾除干擾信號的頻率、增益 為Ιο
[0011] 優選地，所述二階級聯巴特沃斯帶通濾波器包括級聯布置的兩級電路，兩級電路 中第一級電路包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容C1、電容C2和運算放大器U1，運算放大器U1 的負極輸入端接參考電壓、正極輸入端依次通過電容C1、電阻R1和待濾波信號相連，電阻R2 一端連接于電容C1和電阻R1之間、另一端接參考電壓，電阻R3串接布置于運算放大器U1的 正極輸入端和輸出端之間，電容C2-端連接于電容C1和電阻R1之間、另一端和運算放大器 U1的輸出端相連;兩級電路中第二級電路包括電阻R4、電阻R5、電阻R6、電容C3、電容C4和運 算放大器U2,運算放大器U2的負極輸入端接參考電壓、正極輸入端依次通過電容C3、電阻R4 和運算放大器U1的輸出端相連，電阻R5-端連接于電容C3和電阻R4之間、另一端接參考電 壓，電阻R6串接布置于運算放大器U2的正極輸入端和輸出端之間，電容C4一端連接于電容 C3和電阻R4之間、另一端和運算放大器U2的輸出端相連。
[0012] 優選地，所述步驟2)具體是指通過比例運算電路將幅相變換后的信號與原始輸入 信號兩者進行差分合成后輸出。
[0013] 優選地，所述比例運算電路包括電阻R7、電阻R8、電阻R9和運算放大器U3,運算放 大器U3的負極輸入端通過電阻R7和幅相變換后的信號相連、正極輸入端和原始輸入信號相 連，電阻R9串接布置于運算放大器U3的正極輸入端和輸出端之間。
[0014] -種用于GMI磁傳感器的陷波濾波電路，包括幅相變換模塊和差分合成模塊，輸入 信號分成為兩路，一路輸入信號通過幅相變換模塊進行幅相變換后輸出至差分合成模塊的 一個輸入端、另一路輸入信號直接輸出至差分合成模塊的另一個輸入端，所述幅相變換模 塊僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位不變，所述差分合成模塊將幅相變換后的信號與 原始輸入信號兩者進行差分合成后輸出。
[0015] 優選地，所述幅相變換模塊為二階級聯巴特沃斯帶通濾波器，所述二階級聯巴特 沃斯帶通濾波器的中心頻率為待濾除干擾信號的頻率、增益為1。
[0016] 優選地，所述二階級聯巴特沃斯帶通濾波器包括級聯布置的兩級電路，兩級電路 中第一級電路包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容C1、電容C2和運算放大器U1，運算放大器U1 的負極輸入端接參考電壓、正極輸入端依次通過電容C1、電阻R1和待濾波信號相連，電阻R2 一端連接于電容C1和電阻R1之間、另一端接地，電阻R3串接布置于運算放大器U1的正極輸 入端和輸出端之間，電容C2-端連接于電容C1和電阻R1之間、另一端和運算放大器U1的輸 出端相連;兩級電路中第二級電路包括電阻R4、電阻R5、電阻R6、電容C3、電容C4和運算放大 器U2,運算放大器U2的負極輸入端接參考電壓、正極輸入端依次通過電容C3、電阻R4和運算 放大器U1的輸出端相連，電阻R5-端連接于電容C3和電阻R4之間、另一端接參考電壓，電阻 R6串接布置于運算放大器U2的正極輸入端和輸出端之間，電容C4一端連接于電容C3和電阻 R4之間、另一端和運算放大器U2的輸出端相連。
[0017]優選地，所述差分合成模塊為比例運算電路。
[0018] 優選地，所述比例運算電路包括電阻R7、電阻R8、電阻R9和運算放大器U3,運算放 大器U3的負極輸入端通過電阻R7和幅相變換后的信號相連、正極輸入端和原始輸入信號相 連，電阻R9串接布置于運算放大器U3的正極輸入端和輸出端之間。
[0019] 本發明用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法具有下述優點：本發明首先將輸入信號 進行幅相變換，且僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位不變，將幅相變換后的信號與原始 輸入信號兩者進行差分合成后輸出，從而使得幅相變換后的信號與原始輸入信號中幅值不 變、相位不變的待濾除干擾信號在差分合成的過程中被消除，能夠將工頻電磁干擾信號抵 消掉，可廣泛應用于工程實際中陷波電路衰減倍數要求高、所用電阻電容器匹配度不高的 應用場合，具有衰減倍數高，且允許電容電阻器輕度不匹配的優點。
[0020]本發明用于GMI磁傳感器的陷波濾波電路為本發明用于GMI磁傳感器的陷波濾波 方法對應的電路結構，因此同樣也具有上述優點，在此不再贅述。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發明實施例陷波濾波電路的電路結構示意圖。
[0022]圖2為本發明實施例中幅相變換模塊幅值特性模擬結果。
[0023]圖3為本發明實施例中幅相變換模塊相位特性模擬結果。
【具體實施方式】
[0024] 本實施例用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法的步驟包括：
[0025] 1)將輸入信號進行幅相變換，且僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位不變；
[0026] 2)將幅相變換后的信號與原始輸入信號兩者進行差分合成后輸出。
[0027] 本實施例中，步驟1)具體是指通過二階級聯巴特沃斯帶通濾波器將輸入信號進行 幅相變換，二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的中心頻率為待濾除干擾信號的頻率、增益為1， 這樣可以將中心頻率(待濾除干擾信號）的相位前移360°。二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的 品質因素優選采用2或5或10。
[0028] 本實施例中，步驟2)具體是指通過比例運算電路將幅相變換后的信號與原始輸入 信號兩者進行差分合成后輸出。
[0029] 如圖1所示，本實施例用于GMI磁傳感器的陷波濾波電路包括幅相變換模塊和差分 合成模塊，輸入信號分成為兩路，一路輸入信號通過幅相變換模塊進行幅相變換后輸出至 差分合成模塊的一個輸入端、另一路輸入信號直接輸出至差分合成模塊的另一個輸入端， 所述幅相變換模塊僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位不變，所述差分合成模塊將幅相 變換后的信號與原始輸入信號兩者進行差分合成后輸出。
[0030] 本實施例中，幅相變換模塊為二階級聯巴特沃斯帶通濾波器，所述二階級聯巴特 沃斯帶通濾波器的中心頻率為待濾除干擾信號的頻率、增益為1，這樣可以將中心頻率(待 濾除干擾信號）的相位前移360°。此外，幅相變換模塊也可以根據需要采用其他類型的幅相 變換電路，只要僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位不變，都可以實現幅相變換后的信號 與原始輸入信號兩者之間的待濾除干擾信號幅值不變、相位不變，從而將幅相變換后的信 號與原始輸入信號兩者進行差分合成時可以濾除其中的待濾除干擾信號。如圖1所示，二階 級聯巴特沃斯帶通濾波器包括級聯布置的兩級電路，兩級電路中第一級電路包括電阻R1、 電阻R2、電阻R3、電容C1、電容C2和運算放大器U1，運算放大器U1的負極輸入端接參考電壓、 正極輸入端依次通過電容C1、電阻R1和待濾波信號相連，電阻R2-端連接于電容C1和電阻 R1之間、另一端接地，電阻R3串接布置于運算放大器U1的正極輸入端和輸出端之間，電容C2 一端連接于電容C1和電阻R1之間、另一端和運算放大器U1的輸出端相連;兩級電路中第二 級電路包括電阻R4、電阻R5、電阻R6、電容C3、電容C4和運算放大器U2,運算放大器U2的負極 輸入端接參考電壓、正極輸入端依次通過電容C3、電阻R4和運算放大器U1的輸出端相連，電 阻R5-端連接于電容C3和電阻R4之間、另一端接參考電壓，電阻R6串接布置于運算放大器 U2的正極輸入端和輸出端之間，電容C4一端連接于電容C3和電阻R4之間、另一端和運算放 大器U2的輸出端相連。需要說明的是，二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的參考電壓可以接地 (相當于0V)，也可以根據需要采用其他參考電壓(例如2.5V等）。
[0031 ]本實施例中，電容C1、電容C2、電容C3、電容C4四者取值相同（同為Cf)，根據級聯型 巴特沃斯濾波器歸一化表，可以確定二階級聯巴特沃斯帶通濾波器各級參數如下：
[0032]兩級電路中第一級電路的傳遞函數和中心頻率如式(1)所示；
[0034]式（1)中，AKs)表示兩級電路中第一級電路的傳遞函數，fo為二階級聯巴特沃斯帶 通濾波器的中心頻率，S為拉普拉斯算子，(^表示電容C1的電容值，(：2表示電容C2的電容值， Ri表不電阻R1的電阻值，R2表不電阻R2的電阻值，R3表不電阻R3的電阻值。
[0035]設〇? = & = (：2,則有式(2);
[0037] 式（2)中，Ri表不電阻R1的電阻值，R2表不電阻R2的電阻值，R3表不電阻R3的電阻 值，Q為二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的品質因素(一般取2或5或10)，fQ為二階級聯巴特沃 斯帶通濾波器的中心頻率(待過濾工頻干擾信號的頻率），^為兩級電路中第一級電路的增 益(放大倍數），C f為電容C1及電容C2的電容值。
[0038]兩級電路中第一級電路的傳遞函數和中心頻率如式(3)所示；
[0040]式(3)中，A2(s)表示兩級電路中第二級電路的傳遞函數，fo為二階級聯巴特沃斯帶 通濾波器的中心頻率，S為拉普拉斯算子，C3表示電容C3的電容值，C4表示電容C4的電容值， R4表不電阻R4的電阻值，R5表不電阻R5的電阻值，R6表不電阻R6的電阻值。
[0041]設 cf = C3 = C4,則有式(4);
[0043 ] 式(4)中，R4表不電阻R4的電阻值，R5表不電阻R5的電阻值，R6表不電阻R6的電阻值 Q為二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的品質因素，f〇為二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的中心 頻率，A2為兩級電路中第二級電路的增益(放大倍數），Cf為電容C3及電容C4的電容值。由于 二階級聯巴特沃斯帶通濾波器增益為1，則可知兩級電路中第一級電路的增益A4P兩級電 路中第二級電路的增益如滿足下述關系: Al · A2 = 1。這樣可以將二階級聯巴特沃斯帶通濾 波器的輸出作為差分合成模塊的一個輸入端，差分合成模塊的另一個輸入端為原始信號的 輸入端。這樣，電阻R7端輸入信號為原始信號的工頻干擾信號不變，其他信號有一定程度衰 減的信號，當與原始信號作差時，工頻干擾信號就能夠被抵消。
[0044] 參見圖2所示本實施例二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的幅值特性模擬結果，通過 二階級聯巴特沃斯帶通濾波器進行幅相變換后，二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的中心頻率 f〇(待濾除干擾信號的頻率)對應的增益G為1。參見圖3所示本實施例二階級聯巴特沃斯帶 通濾波器的相位特性模擬結果，通過二階級聯巴特沃斯帶通濾波器進行幅相變換后，輸入 信號的相位被轉換到-180°~180°之間，且其中二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的中心頻率 f〇(待濾除干擾信號的頻率)對應的相位為0。因此，根據上述模擬結果可見，二階級聯巴特 沃斯帶通濾波器能夠將輸入信號進行幅相變換，且僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位 不變。
[0045] 本實施例中，差分合成模塊為比例運算電路。如圖1所示，比例運算電路包括電阻 R7、電阻R8、電阻R9和運算放大器U3,運算放大器U3的負極輸入端通過電阻R7和幅相變換后 的信號相連、正極輸入端和原始輸入信號相連，電阻R9串接布置于運算放大器U3的正極輸 入端和輸出端之間。在圖1所示比例放大電路中，電阻R7的電阻大小將由電阻R8和電阻R9決 定，公式為R7 = R8//R9，放大倍數G由R8和R9決定，公式為G= 1+R9/R8。此外，差分合成模塊 也可以根據需要采用其他類型的差分合成電路。
[0046] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施 例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域 的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也 應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法，其特征在于步驟包括： 1) 將輸入信號進行幅相變換，且僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位不變； 2) 將幅相變換后的信號與原始輸入信號兩者進行差分合成后輸出。2. 根據權利要求1所述的用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法，其特征在于，所述步驟1) 具體是指通過二階級聯巴特沃斯帶通濾波器將輸入信號進行幅相變換，所述二階級聯巴特 沃斯帶通濾波器的中心頻率為待濾除干擾信號的頻率、增益為1。3. 根據權利要求2所述的用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法，其特征在于:所述二階級 聯巴特沃斯帶通濾波器包括級聯布置的兩級電路，兩級電路中第一級電路包括電阻R1、電 阻R2、電阻R3、電容C1、電容C2和運算放大器U1，運算放大器U1的負極輸入端接參考電壓、正 極輸入端依次通過電容C1、電阻R1和待濾波信號相連，電阻R2-端連接于電容C1和電阻R1 之間、另一端接參考電壓，電阻R3串接布置于運算放大器U1的正極輸入端和輸出端之間，電 容C2-端連接于電容C1和電阻R1之間、另一端和運算放大器U1的輸出端相連;兩級電路中 第二級電路包括電阻R4、電阻R5、電阻R6、電容C3、電容C4和運算放大器U2,運算放大器U2的 負極輸入端接參考電壓、正極輸入端依次通過電容C3、電阻R4和運算放大器U1的輸出端相 連，電阻R5-端連接于電容C3和電阻R4之間、另一端接參考電壓，電阻R6串接布置于運算放 大器U2的正極輸入端和輸出端之間，電容C4一端連接于電容C3和電阻R4之間、另一端和運 算放大器U2的輸出端相連。4. 根據權利要求1所述的用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法，其特征在于，所述步驟2) 具體是指通過比例運算電路將幅相變換后的信號與原始輸入信號兩者進行差分合成后輸 出。5. 根據權利要求4所述的用于GMI磁傳感器的陷波濾波方法，其特征在于:所述比例運 算電路包括電阻R7、電阻R8、電阻R9和運算放大器U3,運算放大器U3的負極輸入端通過電阻 R7和幅相變換后的信號相連、正極輸入端和原始輸入信號相連，電阻R9串接布置于運算放 大器U3的正極輸入端和輸出端之間。6. -種用于GMI磁傳感器的陷波濾波電路，其特征在于:包括幅相變換模塊和差分合成 模塊，輸入信號分成為兩路，一路輸入信號通過幅相變換模塊進行幅相變換后輸出至差分 合成模塊的一個輸入端、另一路輸入信號直接輸出至差分合成模塊的另一個輸入端，所述 幅相變換模塊僅保持待濾除干擾信號幅值不變、相位不變，所述差分合成模塊將幅相變換 后的信號與原始輸入信號兩者進行差分合成后輸出。7. 根據權利要求6所述的用于GMI磁傳感器的陷波濾波電路，其特征在于:所述幅相變 換模塊為二階級聯巴特沃斯帶通濾波器，所述二階級聯巴特沃斯帶通濾波器的中心頻率為 待濾除干擾信號的頻率、增益為1。8. 根據權利要求7所述的用于GMI磁傳感器的陷波濾波電路，其特征在于:所述二階級 聯巴特沃斯帶通濾波器包括級聯布置的兩級電路，兩級電路中第一級電路包括電阻R1、電 阻R2、電阻R3、電容C1、電容C2和運算放大器U1，運算放大器U1的負極輸入端接參考電壓、正 極輸入端依次通過電容C1、電阻R1和待濾波信號相連，電阻R2-端連接于電容C1和電阻R1 之間、另一端接地，電阻R3串接布置于運算放大器U1的正極輸入端和輸出端之間，電容C2- 端連接于電容C1和電阻R1之間、另一端和運算放大器U1的輸出端相連;兩級電路中第二級 電路包括電阻R4、電阻R5、電阻R6、電容C3、電容C4和運算放大器U2，運算放大器U2的負極輸 入端接參考電壓、正極輸入端依次通過電容C3、電阻R4和運算放大器U1的輸出端相連，電阻 R5-端連接于電容C3和電阻R4之間、另一端接參考電壓，電阻R6串接布置于運算放大器U2 的正極輸入端和輸出端之間，電容C4一端連接于電容C3和電阻R4之間、另一端和運算放大 器U2的輸出端相連。9. 根據權利要求6所述的用于GMI磁傳感器的陷波濾波電路，其特征在于:所述差分合 成模塊為比例運算電路。10. 根據權利要求9所述的用于GMI磁傳感器的陷波濾波電路，其特征在于:所述比例運 算電路包括電阻R7、電阻R8、電阻R9和運算放大器U3,運算放大器U3的負極輸入端通過電阻 R7和幅相變換后的信號相連、正極輸入端和原始輸入信號相連，電阻R9串接布置于運算放 大器U3的正極輸入端和輸出端之間。
【文檔編號】H03H9/54GK106026966SQ201610313456
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】徐 明, 周宗潭, 胡德文, 王志華, 郭善磁
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學