基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路及其控制方法 技术领域 本发明涉及一种积分电路及其控制方法， 尤其涉及一种基于脉宽调制的双二次环 跟踪带通积分电路及其控制方法。
背景技术 带通滤波电路和积分电路在实际中应用非常广泛， 带通滤波电路具有滤除不需要 的干扰信号的作用， 而积分电路不仅用作积分运算， 而且利用其充放电过程还可以实现延 时、 定时以及产生各种波形。
在实际应用中， 有时需要电路达到这样一种功能 ： 既要对某一被处理频率信号进 行频率跟踪滤波， 同时还要求对该信号在要求频率点处进行积分。一般的实现方案是将频 率跟踪滤波功能和积分功能分开实现， 即对被处理信号先滤波后积分， 或者先积分后滤波。 这种方案的缺点是电路结构复杂、 设计和制造成本较高。
发明内容 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷， 而提供一种基于脉宽调制的双二次环跟 踪带通积分电路及其控制方法， 它将频率跟踪滤波功能和积分功能的实现合二为一， 电路 结构简单。
实现上述目的的技术方案是 ：
本发明之一的一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路， 包括积分环节以 及反相比例环节， 所述积分环节包括有一第一运算放大器， 其中，
所述的双二次环跟踪带通积分电路包括一第三运算放大器， 该第三运算放大器的 同相输入端接地， 反相输入端通过一第四电阻接收输入信号， 其输出端与所述的积分环节 相连， 所述第三运算放大器的反相输入端和输出端之间还连接有一第一电容以及与该第一 电容并联连接的第一电阻， 所述第三运算放大器的输出端经第一电阻和第一电容与所述第 三运算放大器的反相输入端相连以构成第二反馈回路 ；
所述积分环节中的第一运算放大器的同相输入端接地， 反相输入端通过一第二电 阻与所述的第三运算放大器的输出端相连， 输出端与所述的反相比例环节的输入端相连， 所述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间还连接有一第二电容 ；
所述的反相比例环节接收所述积分环节输出的信号， 该反相比例环节的输出端通 过一第三电阻与所述的第三运算放大器的反相输入端相连以构成第一反馈回路 ；
所述双二次环跟踪带通积分电路还包括反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子 开关， 所述的反馈回路模拟电子开关和第二模拟开关接收同一控制端输出的脉宽调制信 号， 所述的第二模拟开关与所述的第二电阻串联， 所述的反馈回路模拟电子开关串接于第 一、 三电阻相互连接的一端和第三运算放大器的反相输入端之间， 或者分别串接于第一、 三 电阻所在的支路上。
上述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路， 其中， 所述的反馈回路模拟
电子开关串接于第一、 三电阻相互连接的一端到第三运算放大器的反相输入端之间。
上述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路， 其中， 所述的反馈回路模拟 电子开关为两个， 分别串接于所述的第一电阻所在的支路和第二电阻所在的支路上。
上述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路， 其中， 所述的一个反馈回路 模拟电子开关连接于所述的第三电阻和第三运算放大器的反相输入端之间或者连接于所 述的第三电阻和反相比例环节的输出端之间 ； 所述的另一个反馈回路模拟电子开关连接于 所述的第一电阻与第三运算放大器的反相输入端之间或者连接于所述的第一电阻与所述 的第三运算放大器的输出端之间。
上述的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路， 其中， 所述的第二模拟电子 开关连接于所述的第三运算放大器的输出端与第二电阻之间或者连接于所述的第二电阻 与第一运算放大器的反相输入端之间。
本发明之二的一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路的控制方法， 其 中，
在控制端输入周期为 T 的脉宽调制控制信号， 在一个周期中模拟电子开关闭合的 时间为 TT， 其中 ：
所述脉宽调制控制信号的周期 T 是根据被积分信号频率 f 来确定的，所述的开关闭合时间 TT 即导通时间为 n 为脉宽调制控制信号的频率与被积分信号频率的倍数， n 大于等于 100， fT 为全 导通频率。
本发明的有益效果是 ： 本发明的电路具有带通跟踪滤波功能， 并且同时还具有对 中心频率处信号进行积分的功能， 本发明适合于要求对某一频率信号进行积分而该信号混 有其他频率干扰信号的场合， 具有结构简单、 设计方便的优点。
附图说明 图 1 是本发明之一的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路的第一实施例 的电路图 ；
图 2 是本发明之一的基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路的第二实施例 的电路图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图 1 和图 2， 图中示出了本发明之一的一种基于脉宽调制的双二次环跟踪 带通积分电路， 包括积分环节 1 以及反相比例环节 2， 积分环节 1 包括有一第一运算放大器 3， 其中 ：
双二次环跟踪带通积分电路包括一第三运算放大器 4， 该第三运算放大器 4 的同 相输入端接地， 反相输入端通过一第四电阻 R4 接收输入信号， 其输出端与积分环节 1 相连， 第三运算放大器 4 的反相输入端和输出端之间还连接有一第一电容 C1 以及与该第一电容C1 并联连接的第一电阻 R1， 第三运算放大器 4 的输出端经第一电阻 R1 和第一电容 C1 与第三 运算放大器 1 的反相输入端相连以构成第二反馈回路 6 ；
积分环节 1 中的第一运算放大器 3 的同相输入端接地， 反相输入端通过一第二电 阻 R2 与第三运算放大器 4 的输出端相连， 输出端与反相比例环节 2 的输入端相连， 第一运 算放大器 1 的反相输入端和输出端之间还连接有一第二电容 C2 ；
反相比例环节 2 接收积分环节 1 输出的信号， 该反相比例环节 2 的输出端通过一 第三电阻 R3 与第三运算放大器 4 的反相输入端相连以构成第一反馈回路 5 ；
双二次环跟踪带通积分电路还包括反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子 S2 开 关， 反馈回路模拟电子开关和第二模拟开关 S2 接收同一控制端 C 输出的脉宽调制信号， 第 二模拟开关 S2 与第二电阻 R2 串联， 反馈回路模拟电子开关串接于第一、 三电阻 R1、 R3 相互 连接的一端和第三运算放大器 4 的反相输入端之间， 或者分别串接于第一、 三电阻 R1、 R3 所 在的支路上。
第二模拟电子开关 S2 连接于第三运算放大器 4 的输出端与第二电阻 R2 之间或者 连接于第二电阻 R2 与第一运算放大器 3 的反相输入端之间。
请参见图 1， 该实施例中， 反馈回路模拟电子开关为一个， 即反馈回路模拟电子开 关 S1， 该开关串接于第一、 三电阻 R1、 R3 相互连接的一端和第三运算放大器 4 的反相输入端 之间。 请参见图 2， 为本发明的第二实施例， 在该实施例中， 反馈回路模拟电子开关为两 个， 分别为 S1 和 S3， 该两个开关分别串接于第一、 三电阻 R1、 R3 所在的支路上， 其中 ：
一个反馈回路模拟电子开关 S3 连接于第三电阻 R3 和第三运算放大器 4 的反相输 入端之间或者连接于的第三电阻 R3 和反相比例环节 2 的输出端之间 ； 另一个反馈回路模拟 电子开关 S1 连接于第一电阻 R1 与第三运算放大器 4 的反相输入端之间或者连接于第一电 阻 R1 与第三运算放大器 4 的输出端之间。
本发明的电路在双二次环环带通滤波电路中嵌接了反馈回路模拟电子开关和第 二模拟电子 S2。反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子 S2 可以通过在控制端 C 加入控制 信号来控制其打开或闭合。在本发明中， 假定在 C 端接逻辑高电平， 反馈回路模拟电子开关 和第二模拟电子 S2 闭合， 而在 C 端接逻辑低电平， 反馈回路模拟电子开关和第二模拟电子 S2 断开。
本发明之二的一种基于脉宽调制的双二次环跟踪带通积分电路的控制方法， 包括 如下步骤 ：
在控制端输入周期为 T 的脉宽调制控制信号， 在一个周期中模拟电子开关闭合的 时间为 TT， 其中 ：
脉宽调制控制信号的周期 T 是根据被积分信号频率 f 来确定的，开关闭合时间 TT 即导通时间为 n 为脉宽调制控制信号的频率与被积分信号频率的倍数， n 大于等于 100， fT 为全 导通频率。
工作原理 ：
本发明通过在在控制端 C 输入合适的脉宽调制信号， 控制反馈回路模拟电子开关 和第二模拟电子 S2 的通断， 改变电阻的等效值， 即第一电阻 R1、 第二电阻 R2、 第三电阻 R3 的 等效值， 从而改变电路的输入输出特性。在 C 端输入周期为 T 的控制信号， 在一个周期中开 关闭合的时间为 TT， TT 为根据需要而设计的固定值， 则在周期 T 内第一电阻 R1 的等效平均 值为
式中， TT 为开关控制导通时间， 为固定值 ； T 为开关控制信号的周期。为使在一个 周期 T 内反馈电阻的等效值尽量恒定， 可取开关控制信号的频率为被积分信号频率的 n 倍， 根据试验结果， 一般取 n ＞ 100。则有
式中， f 为被积分信号频率， ω 为被积分信号角频率， fT、 ωT 称为全导通频率、 全 导通角频率， 为固定值。显然， 当信号频率为 fT 时， R1e 即为 R1。
类似地， R2、 R3 的等效平均值为
由上面分析可得图 1 电路的输入输出特性为
由式 (4) 可知， 图 1 电路具有带通特性， 且中心频率为品质因数为中心频率处的放大倍数为
如果取则有中心频率为 (8)ω0 ＝ ω 中心频率处的放大倍数为由式 (9) 可知， 图 1 电路的带通中心频率处的放大倍数 A 与被积分信号频率 ω 呈 反比关系， 因此图 1 电路既有带通滤波的功能， 又有对信号进行积分的功能。本发明的电路设置方法 ：
(1) 选定参数 n， 确定全导通频率或全导通角频率 fT、 ωT。全导通频率决定了电路 的工作范围。
(2) 根据被积分信号频率 f 确定脉宽调制控制信号的周期 T。脉宽调制控制信号 的周期
其中导通时间为(3) 确定运放的型号， 按照使用的用途选择合适运放， 其选用规则可采用通用的运 放选择规则。确定各电容和各电阻值， 使满足式 (6) ～ (9) 所规定的要求。
(4) 按照式 (6) ～ (9) 进行电路性能核算。
下面将举例说明 ：
试采用本发明电路设计能在 159.155Hz 以下工作的带通积分电路， 设计指标为 ： 中心频率随被积分信号频率变化， 品质因数为 10， 中心频率处的放大倍数为
设 计： (1) 取 n ＝ 100， fT ＝ 159.155Hz，则ωT ＝ 2πfT ＝1000rad/s， 脉宽调制控制信号的导通宽度为 62.8μs， 为固定值。
(2) 选定运放型号为 AD711， 取 C1 ＝ C2 ＝ 0.1μF， 由可取 R2 ＝ R3＝ 10kΩ。由 Q ＝ 10， R1 ＝ 100kΩ。取 R4 ＝ 100kΩ。
(3) 脉宽调制控制信号的周期例如， 要对 50Hz 的正弦波进行积分运算， 则脉宽调制控制信号的周期为 200μs。
(4) 经过计算， 所设计电路满足要求。
根据本发明的方法选定元器件参数后， 可直接按照本发明中的电路图进行实施。
本发明所涉及的模拟电子控制开关的控制信号可采用通用的电路硬件来实现， 也 可采用微处理器通过软件编程的方法来实施。
以上实施例仅供说明本发明之用， 而非对本发明的限制， 有关技术领域的技术人 员， 在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以作出各种变换或变型， 因此所有等同的 技术方案也应该属于本发明的范畴， 应由各权利要求所限定。