一种生物滤波器的设计*

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。

4 制作工艺

所设计的生物滤波器构造如图8所示,其制造工艺如下:

图8 生物滤波器构造

(1) 制备印制电路板,采用厚度为1～1.5 mm的绝缘材料制成,长度为35～40 mm,宽度为25～30 mm;

(2) 在印制电路板上装配供电元件,供电元件提供20～25 V电源;

(3) 在印制电路板上焊接过孔元件,包括设置在印制电路板一端的螺柱导电件及设置在印制电路板另一端的U形接口,供电元件通过螺柱导电件连接输入电阻R0,U形接口与输出电阻R9连接;

(4) 在印制电路板上焊接输入电阻R0、输出电阻R9,以及其它电感和电容,所有元件采用电热焊组装,优选使用铜料或无毒铝助焊剂;

(5) 对输入电阻R0、输出电阻R9,以及其它电感和电容的参数进行检测;

(6) 参数检测完成后,在印制电路板上安装保护外壳,由此生物滤波器制作完成。

5 性能分析

使用Hantek 2D72示波器进行生物滤波器性能分析,测量范围为1 Hz～25 MHz,频率分辨率为1 Hz,输出阻抗为50 Ω。

生物滤波器信号测量结果截屏如图9所示,横轴方向为时间,纵轴方向为振幅,输入信号经过生物滤波器滤波后,所产生的输出信号振幅较小,从而达到了滤波效果。

图9 生物滤波器信号测量结果截屏

6 结束语

经过对大量文献资料进行查新,笔者所设计的生物滤波器在国内外尚无相关报道。这一生物滤波器电路结构简单,使用方便,在滤波以后可以保持低波稳定,能够有效降低噪声分贝,避免高波噪声干扰与伤害。

这一生物滤波器制作安全可靠,能够与芯片、传感器、微电机系统模块集成,实现仪器仪表、移动电话、生物体生活环境的噪声屏蔽,以及无线保真电磁波污染时的滤波,具有应用前景。