一種生物濾波器的設計*

趙玉平, 宋宏偉, 李京虎, 趙景山

清華大學 機械工程系 北京 100084

1 設計背景

當前,人們對生物芯片、生物傳感器、生物微機電系統集成模塊的關注度越來越高[1-2],生物濾波器是生物芯片、生物傳感器及生物微機電系統集成模塊的基本構件。筆者基于鳥類羽毛具有吸聲降噪作用,在飛行中能夠保護鳥類身體免遭電磁波傷害的功能[3],設計了一種生物濾波器。

2 設計過程

鳥類羽毛為連續的點狀分布[4],由此設計點與點連接的三維閉合羽毛濾波器生物結構,可以將高通頻率降至低通頻率。具體技術要求為:設計一個八階連續橢圓函數低通濾波器,濾波器的紋波為1 dB,截止頻率為1 Hz,在1 Hz時的最低衰減為63 dB。以下介紹設計過程。

打開Filter Solutions軟件,主界面如圖1所示。查看Filter Attributes選項框,在Pass Band Ripple (dB)選項框中輸入1,在Pass Band Freq選項框中輸入1,在Stop Band Ratio選項框中輸入1.2,查看Freq Scale Hertz選項框。

圖1 Filter Solutions軟件主界面

單擊Set Order控制按鈕,打開對應面板。在Stop Band Attenuation (dB)中輸入63,單擊Set Minimum Order按鈕,然后單擊Close按鈕,此時在主界面上顯示8 Order。

單擊Transfer Function按鈕,檢查Case選項框中的內容,此時顯示連續傳遞函數:

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)

單擊Synthesize Filter按鈕,顯示兩個電路圖,分別如圖2、圖3所示。圖2所示電路圖中,第一個元件是并聯電容器。圖3所示電路圖中,第一個元件含有串聯電感器。一般情況下,用戶常選用電感元件少的電路,因此圖2所示電路圖是首選電路圖。

圖2 Filter Solutions軟件顯示第一種電路圖

圖3 Filter Solutions軟件顯示第二種電路圖

單擊Frequency Response、Time Response、S Parameters、Pole Zero Plots按鈕,依次得到電路頻率響應圖、時間響應圖、S參數圖、零極圖,截屏如圖4～圖7所示。

圖4 電路頻率響應圖截屏

對設計參數進行匯總,品質因數Q1為0.608,Q2為2.096,Q3為6.2,Q4為25.17,諧振頻率ω0,1為2.308 Hz,ω0,2為4.269 Hz,ω0,3為5.706 Hz,ω0,4為6.276 Hz。所設計的生物濾波器損耗因子d為1/Q[5],于是得到損耗因子d1為1.645,d2為0.477,d3為0.161,d4為0.040。在圖7中可以看到極點在零極點的左側分布,對于該八階低通橢圓濾波器而言,損耗因子較小,失真影響較小。

圖5 電路時間響應圖截屏

圖6 電路S參數圖截屏

圖7 電路零極圖截屏

3 元件參數

圖2中,所設計的生物濾波器包括如下元件:① 電源;② 與電源第一端連接的輸入電阻R0;③ 與電源第二端連接的輸出電阻R9;④ 串聯在輸入電阻R0和輸出電阻R9之間的三個濾波單元,沿輸入電阻R0至輸出電阻R9的排列方向,三個濾波單元的濾波值逐漸增大;⑤ 每個濾波單元內并聯的第一電感與第一電容;⑥ 輸入電阻R0與首個濾波單元之間的第二電感;⑦ 并聯的四個第二電容,每個濾波單元設置在相鄰的兩個第二電容之間。

輸入電阻R0和輸出電阻R9的優選阻值均為1.000 Ω。第一濾波單元中,第一電感L3優選感抗值為185.8 mH,第一電容C3優選電容值為92.44 mF。第二濾波單元中,第一電感L5優選感抗值為198.4 mH,第一電容C5優選電容值為70.06 mF。第三濾波單元中,第一電感L7優選感抗值為189.1 mH,第一電容C7優選電容值為37.45 mF。第二電感L1優選感抗值為285.6 mH,并聯在第二電感和第一濾波單元之間的第二電容C2優選電容值為168.5 mF,并聯在第一濾波單元和第二濾波單元之間的第二電容C4優選電容值為177.5 mF,并聯在第二濾波單元和第三濾波單元之間的第二電容C6優選電容值為260.8 mF,并聯在第三濾波單元和輸出電阻之間的第二電容C8優選電容值為252.1 mF。

4 制作工藝

所設計的生物濾波器構造如圖8所示,其制造工藝如下:

圖8 生物濾波器構造

(1) 制備印制電路板,采用厚度為1～1.5 mm的絕緣材料制成,長度為35～40 mm,寬度為25～30 mm;

(2) 在印制電路板上裝配供電元件,供電元件提供20～25 V電源;

(3) 在印制電路板上焊接過孔元件,包括設置在印制電路板一端的螺柱導電件及設置在印制電路板另一端的U形接口,供電元件通過螺柱導電件連接輸入電阻R0,U形接口與輸出電阻R9連接;

(4) 在印制電路板上焊接輸入電阻R0、輸出電阻R9,以及其它電感和電容,所有元件采用電熱焊組裝,優選使用銅料或無毒鋁助焊劑;

(5) 對輸入電阻R0、輸出電阻R9,以及其它電感和電容的參數進行檢測;

(6) 參數檢測完成后,在印制電路板上安裝保護外殼,由此生物濾波器制作完成。

5 性能分析

使用Hantek 2D72示波器進行生物濾波器性能分析,測量范圍為1 Hz～25 MHz,頻率分辨率為1 Hz,輸出阻抗為50 Ω。

生物濾波器信號測量結果截屏如圖9所示,橫軸方向為時間,縱軸方向為振幅,輸入信號經過生物濾波器濾波后,所產生的輸出信號振幅較小,從而達到了濾波效果。

圖9 生物濾波器信號測量結果截屏

6 結束語

經過對大量文獻資料進行查新,筆者所設計的生物濾波器在國內外尚無相關報道。這一生物濾波器電路結構簡單,使用方便,在濾波以后可以保持低波穩定,能夠有效降低噪聲分貝,避免高波噪聲干擾與傷害。

這一生物濾波器制作安全可靠,能夠與芯片、傳感器、微電機系統模塊集成,實現儀器儀表、移動電話、生物體生活環境的噪聲屏蔽,以及無線保真電磁波污染時的濾波,具有應用前景。