有源带阻滤波器(陷波器)抑制特定频段信号,允许其他频率通过,是带通滤波器的对偶电路。最常见应用是50Hz/60Hz工频陷波,消除交流电源干扰。典型结构有双T网络陷波器、Wien桥陷波器、状态变量陷波器等。关键参数包括陷波频率f0、陷波深度(可达-40dB至-60dB)、陷波带宽。在电赛中广泛用于抑制工频干扰、消除特定频率噪声、通信系统抗干扰等。
双T陷波器(Twin-T Notch Filter):
R R C
[Vin]→┬→[R]→┬→[R]→┬→[C]→┬→[运放]→[Vout]
│ │ │ │ (跟随器)
[C] [2C] [C] [GND]
│ │ │
└→[GND] └→[R/2]→┘
陷波频率: f0 = 1 / (2π·R·C)
陷波深度: 理论∞dB,实际-40至-60dB(取决于元件精度和Q值)
Q值: Q = f0 / BW (带宽)
工作原理:
- 在f0处,两条支路相位相反,相互抵消
- f≠f0时,相位差不是180°,信号通过
- R和C的精度直接影响陷波深度
带Q值增强型:
运放正反馈提高Q值,加深陷波:
┌─────[Rq]──────┐
│ ↓
[双T网络]→[运放+]→[OUT]
↑
[R反馈]
│
[GND]
Q = 1 / (4 - 2·K), K为反馈系数
- 运放: TL082 (通用50Hz), OP07 (精密), OPA2134 (音频) - 陷波频率f0: 10Hz - 10kHz - 陷波深度:
- 陷波带宽:
- 通带增益: 0dB (单位增益) - 通带平坦度: ±0.5dB - 陷波频率精度: ±1-2% (1%元件) - 输入阻抗: >100kΩ - 输出阻抗: <100Ω
使用标准运放(TL082/OP07):
| 管脚 | 名称 | 功能 | 说明 |
| —— | —— | —— | —— |
| 1 | OUT1 | 输出1 | 陷波后信号 |
| 2 | IN1- | 反相输入1 | 反馈 |
| 3 | IN1+ | 同相输入1 | 双T网络输出 |
| 4 | V- | 负电源 | -12V或GND |
| 5 | IN2+ | 同相输入2 | (双运放) |
| 6 | IN2- | 反相输入2 | (双运放) |
| 7 | OUT2 | 输出2 | (双运放) |
| 8 | V+ | 正电源 | +12V |
- 电源: ±12V或±15V双电源,单电源+5V(需偏置) - 输入输出: BNC接口,交流耦合 - 元件配置 (50Hz陷波为例):
- Q值调节: 可调电阻Rq(10k-100kΩ电位器) - 陷波深度表: 数字电压表或LED电平表显示陷波效果 - 旁路开关: 开关可旁路陷波器,对比效果 - 测试点: 输入/双T节点/输出测试点
- 电源电压: ±5V至±18V (双电源), 单+5V至+18V - 电源电流: 5-10mA (TL082) - 输入电压范围: ±10V (双电源) - 输出摆幅: ±12V (±15V供电) - 输入阻抗: 100kΩ (双T网络输入端) - 输出阻抗: <10Ω (运放缓冲输出) - 陷波频率: 50Hz±0.5Hz (0.1%精度元件) - 陷波深度:
- 3dB带宽: f0/Q (如Q=10, BW=5Hz@50Hz) - THD: <0.01% - 噪声: <10μVrms (输入短路) - 温度漂移: ±50ppm/°C (f0)
1. 50Hz工频陷波设计:
2. 元件精度要求:
3. Q值增强调节:
4. 调试步骤:
5. 多频陷波:
6. 心电信号50Hz陷波:
7. PCB设计:
8. 替代方案:
- 2019年C题: 线路负载及故障检测(50Hz陷波) - 2017年: 心电信号采集(工频干扰抑制) - 2015年: 生物电测量(50Hz陷波必备) - 2013年: 精密测量系统(抗工频干扰) - 2011年: 信号分析仪(频谱纯净) - 2009年: 数据采集系统(噪声抑制) - 2007年A题: 音频信号分析仪(消除工频哼声) - 历年: 凡涉及微弱信号测量基本都需要
1. 元件匹配:
2. 陷波深度优化:
3. Q值权衡:
4. 级联陷波:
5. 数字vs模拟:
6. 干扰源:
7. 测试方法:
8. 常见问题: