基于集成运放的低频信号共模和差模成分的分离.pdf

第 卷/第期/年月河北师范大学学报/自然科学版/J O U R N A LO FH E B E IN O R M A LU N I V E R S I T Y(N a t u r a lS c i e n c e)V o l N o J u l 文章编号:()收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金();河北省自然科学基金(E )作者简介:张成怀(),男,河北曲阳人,副教授,博士,研究方向为电工电子技术、电磁防护技术基于集成运放的低频信号共模和差模成分的分离张成怀(河北科技大学 信息科学与工程学院,河北 石家庄 )摘要:传导干扰包含共模干扰和差模干扰,需要采取不同措施来抑制共模干扰和差模干扰如果一对对地模拟信号中既含有共模成分又含有差模成分,工程上需要将其分离,基于集成运算放大器构建了一个同相加法运算电路和一个减法运算电路,利用这个加法和减法运算电路可对 k H z以下低频输入信号中的共模成分和差模成分进行分离用电路仿真的方法验证了电路对信号中共模和差模成分分离的有效性,所构建的电路提供了一种分离 k H z以下低频信号中共模成分和差模成分的新方法关键词:电磁干扰;共模信号;差模信号;运算放大器(运放);M u l t i s i m中图分类号:TM;T N 文献标志码:Ad o i:/j c n k i j h e b n u n s e R e s e a r c ho nS e p a r a t i o no fC o mm o nM o d ea n dD i f f e r e n t i a lM o d eC o m p o n e n to fL o w f r e q u e n c yS i g n a lB a s e dI n t e g r a t e dO p e r a t i o nA m p l i f i e rZ HANGC h e n g h u a i(I n s t i t u t eo f I n f o r m a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g,H e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,H e b e i S h i j i a z h u a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:C o n d u c t i o n i n t e r f e r e n c e i n c l u d e s c o mm o nm o d e a n dd i f f e r e n t i a lm o d e i n t e r f e r e n c e D i f f e r e n tm e t h o da r eu s e d t o i n h i b i t c o mm o nm o d ea n dd i f f e r e n t i a lm o d e i n t e r f e r e n c e I fap a i ro fa n a l o gs i g n a l sr e l a t i v et og r o u n dc o n t a i nb o t hc o mm o nm o d ea n dd i f f e r e n t i a lm o d ec o m p o n e n t,t h e ya r eo f t e ns e p a r a t e di ne n g i n e e r i n g As a m e p h a s e a d d i t i o no p e r a t i o nc i r c u i t a n da s u b t r a c t i o no p e r a t i o nc i r c u i tb a s e do no p e r a t i o n a l a m p l i f i e r s a r ed e s i g n e d T h e t w oc i r c u i t sw e r eu s e dt os e p a r a t et h ec o mm o nm o d ea n dd i f f e r e n t i a lm o d ec o m p o n e n to fal o w f r e q u e n c y i n p u t s i g n a lb e l o w k H z T h ew a yo fc i r c u i ts i m u l a t i o ni su s e dt ov e r i f yt h ev a l i d a t i o no fs e p a r a t i o no fc o mm o n m o d ea n dd i f f e r e n t i a lm o d ec o m p o n e n t T h ec i r c u i t sp r o v i d ean e w m e t h o dt os e p a r a t ec o mm o nm o d ea n dd i f f e r e n t i a lm o d ec o m p o n e n to f a l o w f r e q u e n c ys i g n a lb e l o w k H z K e yw o r d s:e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e;c o mm o n m o d es i g n a l;d i f f e r e n t i a lm o d es i g n a l;o p e r a t i o na m p l i f i e r;M u l t i s i m电子设备通常会受到各种电磁干扰,干扰包含传导干扰和辐射干扰,传导干扰又包含共模干扰和差模干扰 ,由于共模干扰信号和差模干扰信号产生的机理和耦合途径不同,需要设计不同的滤波器来进行抑制 一对模拟信号既含有共模成分又含有差模成分,所以需要将信号的共模和差模成分进行分离 ,然后采取相应措施对其中无用信号加以抑制已知文献大多对高频信号的共模和差模成分进行分离研究,没有对低频信号的共模和差模成分的分离做专门研究本文中,笔者基于集成运算放大器设计了一个将低频模拟信号的共模成分和差模成分分离的新电路集成运算放大器的输入端具有“虚短路”和“虚断路”的特征 ,如果给运算放大器引入负反馈,使集成运放工作在线性区,该电路可对直流信号和 k H z及其以下的低频信号完成各种运算,包括加法运算、减法运算等 如图所示电路,电路A和电路B之间由根导线连接,根导线对地电压信号分别为ui和ui如果图一对相对于地的模拟信号ui和uiF i g AP a i ro fA n a l o gS i g n a l suia n duiR e l a t i v e t oG r o u n duiui,即大小相等相位相同,则称为一对共模信号;如果uiui,即大小相等相位相反,则称为一对差模信号但是,这对信号通常既含有共模成分又含有差模成分,此时,则可以将ui和ui分解成()和()分解()和()的第项构成一对共模信号,第项构成一对差模信号,也就是说,uiui为信号的共模成分,uiui为信号的差模成分可以利用运算放大器构成的加法运算电路和减法运算电路分别对ui和ui进行加法运算和减法运算,从而实现模拟信号的共模成分和差模成分的分离uiuiuiuiui,()uiuiuiuiui()所构建的同相加法运算电路如图所示,其输出uo 为信号的共模成分uiui;所构建的减法运算电路如图所示,其输出uo 为信号的差模成分uiui,A和A为集成运算放大器的符号图加法运算电路F i g A d d i t i o nO p e r a t i o nC i r c u i t图减法运算电路F i g S u b t r a c t i o nO p e r a t i o nC i r c u i t同相加法运算电路输出共模成分的仿真仿真实验设计选用,k H z的正弦交流输入信号做验证由于正弦信号可以用相量来表示,所以仿真时输入电压选用了电压有效值相量,相量是个复数,又称复相量对于输入电压相量Ui和Ui,任意选取的组数据如表所示,其中采用了相量的极坐标形式,c o s i s i n,i是虚数单位,是一个模为的复数,是相应电压的初相位,如电压相量 V表示该电压有效值为V,初相位是 这里只选取了组数据,通过这组数据可以验证电路的有效性表电压相量Ui和Ui的取值T a b T h eV a l u eo f t h eV o l t a g eP h a s o rUia n dUi VUi Ui 仿真电路及仿真结果根据图,由电路仿真软件M u l t i s i m构建仿真电路,频率为k H z的加法运算仿真电路如图所示,频率为 k H z的加法运算仿真电路如图所示,运放为理想运放,用万用表测量电路的输出电压有效值图频率为k H z的共模输出的加法运算仿真电路F i g A d d i t i o nO p e r a t i o nS i m u l a t i o nC i r c u i tw i t hC o mm o nM o d eO u t p u tw i t hk H zF r e q u e n c y图频率为 k H z的共模输出的加法运算仿真电路F i g A d d i t i o nO p e r a t i o nS i m u l a t i o nC i r c u i tw i t hC o mm o nM o d eO u t p u tw i t h k H zF r e q u e n c y当电压相量Ui V,Ui V时,个电路输出的共模电压有效值均为 V,与理论值相符按表的数据改变输入电压相量,共模输出电压有效值Uo 的仿真结果如表所示可见,仿真结果与理论值都相符表共模输出电压有效值Uo 的仿真结果T a b T h eS i m u l a t i o nR e s u l t o fC o mm o nM o d eO u t p u tE f f e c t i v eV a l u eUo Ui/V Ui/V Uo/V 减法运算电路输出差模成分的仿真采用,k H z的正弦交流信号,输入电压相量Ui和Ui的取值采用表的组数据仿真电路并验证电路的有效性根据图,由仿真软件M u l t i s i m构建仿真电路,频率为k H z的减法运算仿真电路如图所示,频率为 k H z的减法运算仿真电路如图所示,运放仍然为理想运放,用万用表测量电路的输出电压Uo 图频率为 k H z的差模输出的减法运算仿真电路F i g S u b t r a c t i o nO p e r a t i o nS i m u l a t i o nC i r c u i tw i t hD i f f e r e n t i a lM o d eO u t p u tw i t hk H zF r e q u e n c y图频率为 k H z的差模输出的减法运算仿真电路F i g S u b t r a c t i o nO p e r a t i o nS i m u l a t i o nC i r c u i tw i t hD i f f e r e n t i a lM o d eO u t p u tw i t h k H zF r e q u e n c y当电压相量Ui V,Ui V时,个电路输出的差模电压有效值仿真结果为 mV,与理论值相符按照表的数据改变输入电压,差模输出有效值Uo 的仿真结果见表,与理论值相符表差模输出电压有效值Uo 的仿真结果T a b T h eS i m u l a t i o nR e s u l t o fD i f f e r e n t i a lM o d eO u t p u tE f f e c t i v eV a l u eUo Ui/V Ui/V Uo/V 结束语随着社会的高速发展,电磁环境变得越来越复杂,电子设备会受到来自各方面的干扰,包括共模干扰和差模干扰,要抑制共模和差模干扰,需要设计不同的滤波器干扰信号通常包含共模成分和差模成分,基于集成运放构建了一个加法运算电路和一个减法运算电路,用来将低频模拟信号的共模成分和差模成分进行分离,同时检测了共模成分和差模成分的强度,电路仿真的结果和理论值相符,结果表明所设计的电路在较宽的频段上是有效的参考文献:张宏,邹风华关于差模和共模干扰的研究J电子测试,():d o i:/j c n k i Z HAN G H o n g,Z OUF e n g h u a R e s e a r c ho nD i f f e r e n t i a lM o d ea n dC o mm o n M o d eI n t e r f e r e n c eJ E l e c t r o n i cT e s t,():杨继深共模干扰和差模干扰J安全与电磁兼容,():YAN GJ i s h e n C o mm o nM o d e I n t e r f e r e n c ea n dD i f f e r e n t i a lM o d e I n t e r f e r e n c eJS a f e t y&EMC,():胡德洲,魏光辉,潘晓东混响室条件下线缆差模干扰辐射敏感度测试研究J微波学报,():d o i:/j c n k i HUD e z h o u,WE IG u a n g h u i,P ANX i a o d o n g R a d i a t e dI mm u n i t yT e s t i n gf o rD i f f e r e n t i a l m o d eI n t e r f e r e n c eo fT r a n s m i s s i o nL i n e s i nR e v e r b e r a t i o nC h a m b e r sJJ o u r n a l o fM i c r o w a v e s,():任浩,陈浩,周俊车载电压传感器共模干扰分析及抑制J电子设计工程,():d o i:/j i s s n R E N H a o,CHE N H a o,Z HOUJ u n A n a l y z i n ga n dI n h i b i t i n gC o mm o nM o d e I n t e r f e r e n c eo fV o l t a g eS e n s o r f o rL o c o m o t i v e sJE l e c t r o n i cD e s i g nE n g i n e e r i n g,():张家昆,杨宝玉,孙德新红外用机械制冷机驱动电路的共模干扰机理J红外与激光工程,():Z HAN GJ i a k u n,YAN GB a o y u,S UND e x i n C o mm o n m o d eI n t e r f e r e n c eM e c h a n i s mo f t h eD r i v i n gC i r c u i to fC r y o c o o l e rU s e do nI n f r a r e dS y s t e mJI n f r a r e da n dL a s e rE n g i n e e r i n g,():赵金奎共模干扰和差模干扰及其抑制技术J电子质量,():Z HAOJ i n k u i C o mm o nM o d e I n t e r f e r e n c e&D i f f e r e n t i a lM o d e I n t e r f e r e n c e a n dT h e i rR e s t r a i n i n gT e c h n o l o g i e sJE l e c t r o n i c sQ u a l i t y,():孙伟国,邱扬,权修桥共模与差模传导干扰分析及抑制技术研究J电子质量,():S UN W e i g u o,Q I U Y a n g,QUANX i u q i a o C o mm o n m o d ea n dD i f f e r e n t i a l m o d eC o n d u c t e dI n t e r f e r e n c eA n a l y s i sa n dR e s t r a i n tT e c h n o l o g yR e s e a c hJE l e c t r o n i c sQ u a l i t y,():于虹电磁兼容中差模与共模干扰及抑制技术J计量技术,():YU H o n g D i f f e r e n t i a lM o d ea n dC o mm o nM o d e I n t e r f e r e n c ea n dR e s t r a i n tT e c h n o l o g yi nEMCJ M e a s u r e m e n tT e c h n o l o g y,():何梦之一种共差模信号分离器设计J汽车设计,():HE M e n g z h i AD e s i g no fC o mm o nD i f f e r e n t i a lM o d eS i g n a lS p l i t t e rJ A u t o m o b i l eD e s i g n,():刘鹏,刘庆想,张政权一种传导EM I及其共/差模分离的时域测量方法J电源技术,():L I UP e n g,L I U Q i n g x i a n g,Z HANGZ h e n g q u a n T i m eD o m a i nM e a s u r e m e n tM e t h o df o rC o n d u c t e dEM IJJ o u r n a lo fP o w e rS o u r c e s,():秦曾煌电工学简明教程M北京:高等教育出版社,Q I NC e n g h u a n g C o n c i s eC o u r s eo fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gMB e i j i n g:H i g hE d u c a t i o nP r e s s,焦阳,马献果,刘红伟电工与电子技术M北京:机械工业出版社,J I AOY a n g,MAX i a n g u o,L I U H o n g w e i E l e c t r i c a l a n dE l e c t r o n i cT e c h n o l o g yMB e i j i n g:C h i n aM a c h i n eP r e s s,华成英,童诗白模拟电子技术基础M北京:高等教育出版社,HUAC h e n g y i n g,T O N GS h i b a i F u n d a m e n t a l so fA n a l o gE l e c t r o n i cT e c h n o l o g yMB e i j i n g:H i g hE d u c a t i o nP r e s s,(责任编辑刘新喜)