趙玉平, 宋宏偉, 李京虎, 趙景山

清華大學(xué) 機械工程系 北京 100084

1 設(shè)計背景

當前,人們對生物芯片、生物傳感器、生物微機電系統(tǒng)集成模塊的關(guān)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(tǒng)集成模塊的基本構(gòu)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(shè)計了一種生物濾波器。

2 設(shè)計過程

鳥類羽毛為連續(xù)的點狀分布[4],由此設(shè)計點與點連接的三維閉合羽毛濾波器生物結(jié)構(gòu),可以將高通頻率降至低通頻率。具體技術(shù)要求為:設(shè)計一個八階連續(xù)橢圓函數(shù)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(shè)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(yīng)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(nèi)容,此時顯示連續(xù)傳遞函數(shù):

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(lián)電容器。圖3所示電路圖中,第一個元件含有串聯(lián)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(yīng)圖、時間響應(yīng)圖、S參數(shù)圖、零極圖,截屏如圖4～圖7所示。

圖4 電路頻率響應(yīng)圖截屏

對設(shè)計參數(shù)進行匯總,品質(zhì)因數(shù)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(shè)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(cè)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(yīng)圖截屏

圖6 電路S參數(shù)圖截屏

圖7 電路零極圖截屏

3 元件參數(shù)

圖2中,所設(shè)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(lián)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(nèi)并聯(lián)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(lián)的四個第二電容,每個濾波單元設(shè)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(yōu)選阻值均為1.000 Ω。第一濾波單元中,第一電感L3優(yōu)選感抗值為185.8 mH,第一電容C3優(yōu)選電容值為92.44 mF。第二濾波單元中,第一電感L5優(yōu)選感抗值為198.4 mH,第一電容C5優(yōu)選電容值為70.06 mF。第三濾波單元中,第一電感L7優(yōu)選感抗值為189.1 mH,第一電容C7優(yōu)選電容值為37.45 mF。第二電感L1優(yōu)選感抗值為285.6 mH,并聯(lián)在第二電感和第一濾波單元之間的第二電容C2優(yōu)選電容值為168.5 mF,并聯(lián)在第一濾波單元和第二濾波單元之間的第二電容C4優(yōu)選電容值為177.5 mF,并聯(lián)在第二濾波單元和第三濾波單元之間的第二電容C6優(yōu)選電容值為260.8 mF,并聯(lián)在第三濾波單元和輸出電阻之間的第二電容C8優(yōu)選電容值為252.1 mF。

4 制作工藝

所設(shè)計的生物濾波器構(gòu)造如圖8所示,其制造工藝如下:

圖8 生物濾波器構(gòu)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(shè)置在印制電路板一端的螺柱導(dǎo)電件及設(shè)置在印制電路板另一端的U形接口,供電元件通過螺柱導(dǎo)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(yōu)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(shù)進行檢測;

(6) 參數(shù)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(jié)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(jīng)過生物濾波器濾波后,所產(chǎn)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(jié)果截屏

6 結(jié)束語

經(jīng)過對大量文獻資料進行查新,筆者所設(shè)計的生物濾波器在國內(nèi)外尚無相關(guān)報道。這一生物濾波器電路結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,在濾波以后可以保持低波穩(wěn)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(tǒng)模塊集成,實現(xiàn)儀器儀表、移動電話、生物體生活環(huán)境的噪聲屏蔽,以及無線保真電磁波污染時的濾波,具有應(yīng)用前景。