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使用SPLL来生成双电极ECG放大中共模电力线干扰的

本设计方案中使用SPLL(App锁相环)来生成双电极ECG放大中共模电力线干扰的同步参考。虽然用于ECG信号处理,但它可以很容易地适应各种必须进行频率同步的DSP应用。

基本SPLL结构由三个模块组成:相位检测器(PHD),环路滤波器(LF)和数字控制振荡器(DCO)(图1)。 中的输入信号 V 以数字形式处理:PHD是乘法器 - 输出,两个信号的乘积:输入正弦波( f in )和DCO正弦输出( f ref )。当低抖动是必须的时候,正弦波混频是最好的。

使用SPLL来生成双电极ECG放大中共模电力线干扰的同步

图1AppPLL结构

LF及时整合PHD输出数据并由于平均而提高分辨率,因此 m - 位宽DCO输入可能大于 n - 位宽信号。

DCO作为具有正弦输出的数字 - 频率转换器工作,必须能够匹配预期的输入频率范围。

SPLL的关键部分是环路滤波器。必须小心

,以便在适当的建立时间内提供稳定的系统响应。

SPLL的环路增益分析和设计方法在[1]中给出,其中显示了SPLL z 域转移函数可以使用后向差分 s -plane到 z -plane mapping。

SPLL控制循环由两个积分器组成:一个隐藏在DCO中,另一个隐藏在LF中。由于LF积分器在环路中为第二个积分器提供服务,因此必须使用正向路径旁路以保持稳定性,如图2所示。这种拓扑结构的缺点是前向路径增加了DCO输入端的剩余纹波,在DCO输出端转换为抖动。使用梳状滤波器可以克服所有电力线谐波的问题。拒绝所有谐波的最简单的梳状滤波器是一个周期移动平均滤波器(平均器)[2]。将其添加到循环中可以大大减少DCO输入处的剩余纹波,这是设计理念的核心。

使用SPLL来生成双电极ECG放大中共模电力线干扰的同步

图2循环滤波器结构

LF传递函数由方程式给出。 (1),其中第一个被乘数是平均器的传递函数,第二个被乘数是被绕过的积分器的传递函数:

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T 是采样周期: T = 1/ f s 。 T PL 是电力线时段: T PL = 1/ sub PL 。 k i 和 k z 是积分器和前向路径中的增益系数。对于采样率 f s = 2kHz或 T = 0.5ms, f PL = 50Hz( T PL = 20ms), k i = 1/128?0.0078,并且 k z = 8,Eq。 (1)可以改写为Eq。 (2):

使用SPLL来生成双电极ECG放大中共模电力线干扰的同步

LF传递函数,用方程式给出。 (1),可以通过图2中所示的信号流示意图实现。

SPLL在STM32F407微控制器上实现和测试,运行在 f CLK 的100MHz的=。微控制器包含一个12位ADC,用于以采样速率 f s = 2kHz转换输入信号。一个LSb对应于3V/4096 = 0.732mV。 DCO范围为±2Hz。它由12位字控制;因此,DCO灵敏度为1mHz/LSb,或1.36Hz/V.为避免浮点乘法, DCO生成256级正弦波。混频器输出除以256以设置正确的环路增益。为了最小化DCO的剩余纹波,ADC采样率是生成频率的倍数 f ref 。因此,包含在LF中的平均器在抑制电力线谐波方面是最有效的。

图3显示了微控制器的实际操作。数据传输到PC并用MATLAB可视化。环路速度取决于输入信号幅度。可以看出,DCO具有稳定的响应,输入幅度从0.2V P-P 到1.6V P-P 。一旦DCO输入稳定后,生成的矩形波形将输入正弦波引导90度。

使用SPLL来生成双电极ECG放大中共模电力线干扰的同步

a) V in = 0.2V pp , f in = 50Hz

使用SPLL来生成双电极ECG放大中共模电力线干扰的同步

b) V in = 0.6V pp , f in = 50Hz

使用SPLL来生成双电极ECG放大中共模电力线干扰的同步

c) V in = 1.6V pp , f in = 50Hz

使用SPLL来生成双电极ECG放大中共模电力线干扰的同步

d) = 0.6V pp , f in = 49Hz

使用SPLL来生成双电极ECG放大中共模电力线干扰的同步

e)pp , f in = 51Hz

图3实际结果。对于每个图像,顶部显示屏显示输入和输出。输出信号。第二个和第三个显示是不同缩放比例的DCO输入。

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