一种生物滤波器的设计*

2020-09-29赵玉平宋宏伟李京虎赵景山

上海电气技术 2020年3期

赵玉平, 宋宏伟, 李京虎, 赵景山

清华大学机械工程系北京 100084

1 设计背景

当前,人们对生物芯片、生物传感器、生物微机电系统集成模块的关注度越来越高[1-2],生物滤波器是生物芯片、生物传感器及生物微机电系统集成模块的基本构件。笔者基于鸟类羽毛具有吸声降噪作用,在飞行中能够保护鸟类身体免遭电磁波伤害的功能[3],设计了一种生物滤波器。

2 设计过程

鸟类羽毛为连续的点状分布[4],由此设计点与点连接的三维闭合羽毛滤波器生物结构,可以将高通频率降至低通频率。具体技术要求为:设计一个八阶连续椭圆函数低通滤波器,滤波器的纹波为1 dB,截止频率为1 Hz,在1 Hz时的最低衰减为63 dB。以下介绍设计过程。

打开Filter Solutions软件,主界面如图1所示。查看Filter Attributes选项框,在Pass Band Ripple (dB)选项框中输入1,在Pass Band Freq选项框中输入1,在Stop Band Ratio选项框中输入1.2,查看Freq Scale Hertz选项框。

图1 Filter Solutions软件主界面

单击Set Order控制按钮,打开对应面板。在Stop Band Attenuation (dB)中输入63,单击Set Minimum Order按钮,然后单击Close按钮,此时在主界面上显示8 Order。

单击Transfer Function按钮,检查Case选项框中的内容,此时显示连续传递函数:

T(S)=[0.210 6(S2+58.21)(S2+71.95)(S2+141.2)]/[(S2+3.796S+5.327)(S2+2.037S+18.23)(S2+0.920 4S+32.56)(S2+0.249 3S+39.39)]

(1)

单击Synthesize Filter按钮,显示两个电路图,分别如图2、图3所示。图2所示电路图中,第一个元件是并联电容器。图3所示电路图中,第一个元件含有串联电感器。一般情况下,用户常选用电感元件少的电路,因此图2所示电路图是首选电路图。

图2 Filter Solutions软件显示第一种电路图

图3 Filter Solutions软件显示第二种电路图

单击Frequency Response、Time Response、S Parameters、Pole Zero Plots按钮,依次得到电路频率响应图、时间响应图、S参数图、零极图,截屏如图4～图7所示。

图4 电路频率响应图截屏

对设计参数进行汇总,品质因数Q1为0.608,Q2为2.096,Q3为6.2,Q4为25.17,谐振频率ω0,1为2.308 Hz,ω0,2为4.269 Hz,ω0,3为5.706 Hz,ω0,4为6.276 Hz。所设计的生物滤波器损耗因子d为1/Q[5],于是得到损耗因子d1为1.645,d2为0.477,d3为0.161,d4为0.040。在图7中可以看到极点在零极点的左侧分布,对于该八阶低通椭圆滤波器而言,损耗因子较小,失真影响较小。

图5 电路时间响应图截屏

图6 电路S参数图截屏

图7 电路零极图截屏

3 元件参数

图2中,所设计的生物滤波器包括如下元件:① 电源;② 与电源第一端连接的输入电阻R0;③ 与电源第二端连接的输出电阻R9;④ 串联在输入电阻R0和输出电阻R9之间的三个滤波单元,沿输入电阻R0至输出电阻R9的排列方向,三个滤波单元的滤波值逐渐增大;⑤ 每个滤波单元内并联的第一电感与第一电容;⑥ 输入电阻R0与首个滤波单元之间的第二电感;⑦ 并联的四个第二电容,每个滤波单元设置在相邻的两个第二电容之间。

输入电阻R0和输出电阻R9的优选阻值均为1.000 Ω。第一滤波单元中,第一电感L3优选感抗值为185.8 mH,第一电容C3优选电容值为92.44 mF。第二滤波单元中,第一电感L5优选感抗值为198.4 mH,第一电容C5优选电容值为70.06 mF。第三滤波单元中,第一电感L7优选感抗值为189.1 mH,第一电容C7优选电容值为37.45 mF。第二电感L1优选感抗值为285.6 mH,并联在第二电感和第一滤波单元之间的第二电容C2优选电容值为168.5 mF,并联在第一滤波单元和第二滤波单元之间的第二电容C4优选电容值为177.5 mF,并联在第二滤波单元和第三滤波单元之间的第二电容C6优选电容值为260.8 mF,并联在第三滤波单元和输出电阻之间的第二电容C8优选电容值为252.1 mF。