Имитатор двухполюсника высшего (к-го) порядка

Авторы патента:

H03H7/00 - Многополюсники, содержащие только пассивные электрические элементы в качестве компонентов схемы (входные цепи приемников H04B 1/18; цепи, моделирующие отрезок кабеля связи, т.е. цепи, эквивалентные такому отрезку H04B 3/40)

Владельцы патента RU 2598330:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" (RU)

Изобретение относится к радиоэлектронике и связи и может быть использовано при создании активных RC-фильтров, а также в устройствах импульсной техники и автоматического управления для регулирования и компенсации переходных процессов. Технический результат заключается в увеличении точности задания емкостных, индуктивных и резистивных полных выходных сопротивлений двухполюсников высшего (9-го) порядка при имитации. Имитатор двухполюсника порядка k содержит k операционных усилителей с входными цепями из двух последовательно соединенных комплексных сопротивлений, а также необходимые связи между ними. 4 ил. 1 табл.

Известен имитатор индуктивности с коммутируемыми конденсаторами (авторское свидетельство SU 1145460). Имитатор содержит операционный усилитель с цепью емкостной отрицательной обратной связи, выполненный на конденсаторе, первый и второй имитаторы резистора, два звена, каждое из которых содержит дополнительный операционный усилитель с цепью емкостной отрицательной обратной связи, выполненной на конденсаторе, конденсатор, первый и второй дополнительный имитаторы резистора, причем имитаторы выполнены на коммутируемых конденсаторах. Однако известный имитатор способен имитировать только индуктивности первого порядка.

Известны имитаторы двухполюсников высшего порядка, выполненные на зависимых источниках напряжения, управляемых током и напряжением (Philippow E., Reinhard M. Beitrag zur Theorie Kunstlicher Elemente hoherer Ordnung // IWK Tech. Hochschule Ilmenau, 1981., Philippow E., Druckner P. Anwendung kunstlicher Elemente hoherer Ordnung in selektiven Schaltungen //23IWK Tech. Hochschule Ilmenau 1978 - Vortragsreie B2 - s. 33-37). Однако реализация таких имитаторов двухполюсников высшего порядка оказывается сложной, а их частотные характеристики отличаются от характеристик, получаемых при строгом математическом описании.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству решением является имитатор двухполюсника высшего (k-го) порядка, представляющий собой последовательное соединение k звеньев в виде интеграторов (Филиппов Е., Качан В.И. Математическое описание и устойчивость цепей с искусственными элементами высокого порядка // Известия вузов. Энергетика. 1983. №8. С. 24-27). Такая схема двухполюсника высшего порядка содержит погрешности, возникающие при интегрировании, причем с ростом числа интеграторов погрешность возрастает. Кроме того, известный имитатор двухполюсника обладает неустойчивостью, для устранения которой приходится для каждого звена подстраивать тот или иной параметр схемы.

Задача изобретения состоит в обеспечении имитации индуктивных, емкостных и резистивных двухполюсников любого порядка.

Технический результат заключается в увеличении точности задания емкостных, индуктивных и резистивных полных выходных сопротивлений двухполюсников высшего (9-го) порядка при имитации.

Указанный технический результат достигается тем, что имитатор двухполюсника порядка k содержит последовательное соединение k звеньев, согласно решению каждое звено содержит операционный усилитель и цепь из двух последовательно соединенных комплексных сопротивлений, подключенных между неинвертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя, причем у каждого звена, кроме k-го, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с инвертирующим входом операционного усилителя последующего звена, общая точка соединения комплексных сопротивлений соединена с выходом операционного усилителя последующего звена, а общая точка соединения комплексных сопротивлений k-го звена соединена с выходом операционного усилителя первого звена, при этом первый выход двухполюсника соединен через комплексное сопротивление с инвертирующим входом операционного усилителя первого звена, а второй выход двухполюсника соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя k-го звена.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого имитатора двухполюсника k-го порядка; на фиг. 2 - электрическая схема имитатора двухполюсника 3-го порядка с индуктивным выходным сопротивлением, на фиг. 3 - электрическая схема имитатора двухполюсника 3-го порядка с емкостным выходным сопротивлением, на фиг. 4 - экспериментально полученная частотная зависимость выходного сопротивления двухполюсника 3-го порядка с индуктивным сопротивлением.

Имитатор двухполюсника порядка k, снабженный первым и вторым выходами, собран в виде последовательного соединения k звеньев, каждое из которых содержит операционный усилитель и цепь из двух последовательно соединенных комплексных сопротивлений, подключенных между неинвертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя. У каждого звена кроме k-го неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с инвертирующим входом операционного усилителя последующего звена, а общая точка соединения комплексных сопротивлений соединена с выходом операционного усилителя последующего звена. Общая точка соединения комплексных сопротивлений k-го звена соединена с выходом операционного усилителя первого звена. Первый выход двухполюсника соединен через комплексное сопротивление с инвертирующим входом операционного усилителя первого звена, а второй выход двухполюсника соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя k-го звена.

Для упрощения формулы расчета полного выходного сопротивления имитатора двухполюсника высшего (k-го) порядка комплексные сопротивления цепи i-го звена обозначены как $Z_{1}^{(i)}$ и $Z_{2}^{(i)}$ , а полное выходное сопротивление Z имитатора двухполюсника высшего (k-го) порядка рассчитывается по формуле (1).

В таблице 1 приведены параметры двухполюсников со второго по девятый порядок, рассчитанные по формуле (1). У всех двухполюсников четного (k = 4, 6, 8, …) порядка полные выходные сопротивления и полные выходные проводимости имеют резистивный характер, а у двухполюсников нечетного (k = 3, 5, 7, …) порядка полные выходные сопротивления имеют индуктивный или емкостный характер.

В качестве примера на фиг. 2 представлена электрическая схема имитатора двухполюсника 3-го порядка с индуктивным выходным сопротивлением. Чтобы полное выходное сопротивление двухполюсника было индуктивным, в качестве комплексных сопротивлений $Z_{1}^{(1)}, Z_{1}^{(2)}, Z_{1}^{(3)}$ и выбраны резисторы с сопротивлением R $(Z_{1}^{(1)} = Z_{1}^{(2)} = Z_{1}^{(3)} = Z_{0} = R)$ , а в качестве комплексных сопротивлений $Z_{2}^{(1)}, Z_{2}^{(2)}, Z_{2}^{(3)}$ - конденсаторы c емкостью C $(Z_{2}^{(1)} = Z_{2}^{(2)} = Z_{2}^{(3)} = \frac{1}{j ω C})$ , где j - мнимая единица, $ω$ - частота. Тогда в соответствии с формулой (1) полное выходное сопротивление двухполюсника принимает вид:

где $L^{(3)} = ω^{2} C^{3} R^{4}$ - индуктивность имитированного двухполюсника третьего порядка.

В качестве второго примера на фиг. 3 представлена электрическая схема имитатора двухполюсника 3-го порядка с емкостным выходным сопротивлением. Чтобы полное выходное сопротивление двухполюсника было емкостным в качестве комплексных сопротивлений $Z_{1}^{(1)}, Z_{1}^{(2)}, Z_{1}^{(3)}$ выбирают конденсаторы c емкостью C $(Z_{1}^{(1)} = Z_{1}^{(2)} = Z_{1}^{(3)} = \frac{1}{j ω C})$ , а в качестве комплексных сопротивлений $Z_{2}^{(1)}, Z_{2}^{(2)}, Z_{2}^{(3)}$ и $Z_{0}$ - резисторы с сопротивлением R $(Z_{2}^{(1)} = Z_{2}^{(2)} = Z_{2}^{(3)} = Z_{0} = R)$ . Тогда в соответствии с формулой (1) полное выходное сопротивление двухполюсника принимает вид:

$Z = {(- 1)}^{3} R \frac{{(\frac{1}{j ω C})}^{3}}{R^{3}} = \frac{1}{j ω^{3} C^{3} R^{2}} = \frac{1}{j ω C^{(3)}}$ ,

где $C^{(3)} = ω^{2} C^{3} R^{2}$ - емкость имитированного двухполюсника третьего порядка (k = 3).

Пример конкретного исполнения

Имитатор двухполюсника четвертого порядка представляет собой соединение двух интегральных микросхем LF412CH, каждая из которых содержит два операционных усилителя, набор резисторов типа С2-14-0.125 и конденсаторов типа К71-7. Такая конструкция позволяет имитировать двухполюсники от второго до четвертого порядка при включении в работу соответствующего количества операционных усилителей. Для имитации двухполюсников 3-го порядка использовались три операционных усилителя. При имитации двухполюсника 3-го порядка с индуктивным выходным сопротивлением выбирались три одинаковых конденсатора с номиналами 10 нФ1% и четыре резистора с одинаковыми номиналами 1 кОм5%. Теоретическое значение индуктивности на частоте 100 Гц составило 0.4 мкГн, на частоте 1 кГц - 40 мкГн. При имитации двухполюсника 3-го порядка с емкостным выходным сопротивлением выбирались три одинаковых конденсатора с номиналом 100 нФ1% и четыре одинаковых резистора с номиналом 10 кОм5%. Теоретическое значение емкости на частоте 100 Гц составляет 40 нФ, на частоте 1 кГц - 4 мкФ. Для имитации двухполюсника 4-го порядка с резистивным сопротивлением использованы четыре одинаковых конденсатора с номиналом 10 нФ1% и пять резисторов с одинаковыми номиналами 10 кОм5%. Теоретическое значение на частоте 100 Гц составило 0.156 Ом, а на частоте 1 кГц - 1560 Ом.

Экспериментальное исследование частотных зависимостей полных выходных сопротивлений имитированных двухполюсников проводилось на анализаторе спектра СК4-56, работающем в режиме измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников. С этой целью последовательное соединение имитатора одного из двухполюсников высшего порядка и дополнительного сопротивления подключалось к выходу генератора частотно-модулированных колебаний СК4-56, а имитатор двухполюсника - к входному разъему прибора СК4-56. На экране анализатора возникала амплитудно-частотная характеристика, причем величина вертикального отклонения луча была пропорциональна полному входному сопротивлению имитатора двухполюсника. Пример экспериментально полученной частотной зависимости для индуктивности третьего порядка $L^{(3)}$ представлен на фиг. 4. Относительная погрешность отклонения измеренных значений индуктивности $L^{(3)}$ от расчетных значений возрастала с частотой и для частот от 100 Гц до 5 кГц не превышала 5%.

Имитатор двухполюсника порядка k, содержащий последовательное соединение k звеньев, отличающийся тем, что каждое звено содержит операционный усилитель и цепь из двух последовательно соединенных комплексных сопротивлений, подключенных между неинвертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя, причем у каждого звена, кроме k-го, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с инвертирующим входом операционного усилителя последующего звена, общая точка соединения комплексных сопротивлений соединена с выходом операционного усилителя последующего звена, а общая точка соединения комплексных сопротивлений k-го звена соединена с выходом операционного усилителя первого звена, при этом первый выход двухполюсника соединен через комплексное сопротивление с инвертирующим входом операционного усилителя первого звена, а второй выход двухполюсника соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя k-го звена.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве компонента для построения на его основе силовой пассивной части различных электротехнических устройств.

Плоская катушка индуктивности с повышенной добротностью // 2523932

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в устройствах, в которых необходимы катушки индуктивности. Достигаемый технический результат - повышение добротности без увеличения плотности магнитного потока или индуктивности.

Многоканальный частотно-разделительный селектор // 2493653

Изобретение относится к преселекторам радиоприемных устройств. Техническим результатом является уменьшение рабочего затухания в полосах пропускания селектора.

Полосовой перестраиваемый lc-фильтр // 2459349

Динамический фильтр подавления гармоник для энергосистемы переменного тока // 2401510

Изобретение относится к динамическому фильтру подавления гармоник (ФПГ), предназначенному для энергосистемы переменного тока. .

Полосовой высокоизбирательный lc-фильтр // 2372711

Фильтр напряжения обратной последовательности // 2316776

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в системах электроснабжения для определения напряжения обратной последовательности. .

Режекторный фильтр // 2084078

Изобретение относится к области радиотехники, к устройствам режектирования (подавления) сосредоточенных помех, поступающих на вход радиоприемника совместно с полезным сигналом.

Режекторный фильтр с управляемой полосой режекции а.а.михопаркина // 2031539

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве режекторного фильтра в приемопередающей аппаратуре различного назначения. .

Преобразователь кода // 2022453

Изобретение относится к импульсной технике и может найти применение в цифровых системах передачи. .

Фильтр гармоник коротковолнового передатчика // 2625426

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в фильтрах гармоник (ФГ) усилителей мощности широкодиапазонных радиопередатчиков. Достигаемый технический результат - снижение уровня гармонических составляющих передаваемого сигнала, начиная с третьей гармоники. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика содержит N частотно-разделительных устройств (ЧРУ), где N - число частотных поддиапазонов, каждый из которых состоит из фильтра нижних частот (ФНЧ), фильтра верхних частот (ФВЧ), соединенных на входе параллельно и образующих вход ЧРУ, и балластного сопротивления, подключенного к выходу ФВЧ, при этом вход каждого ЧРУ подключен к входу ФГ через входной трехконтактный переключатель, в каждом ЧРУ низкопотенциальные выводы конденсаторов двух соседних поперечных плеч ФНЧ соединены друг с другом и подключены к общей шине через дополнительную катушку индуктивности, при этом выход ФНЧ подключен к выходу ФГ через выходной трехконтактный переключатель. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Активный электрический фильтр // 2634187

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных трехфазных электроэнергетических сетях. Технический результат заключается в снижении высших гармонических составляющих в контролируемых точках энергетической системы, а также в снижении массогабаритных показателей активного электрического фильтра. Активный электрический фильтр содержит первое и второе согласующие устройства, интегральные прерыватели, мультивибраторы, частотные режекторные фильтры, сумматор, дифференциальные усилители мощности и силовые модули. 1 ил.

Линия задержки, защищающая от сверхкоротких импульсов с увеличенной длительностью // 2637484

Изобретение относится к средствам для защиты радиоэлектронной аппаратуры от сверхкоротких импульсов. Техническим результатом является увеличение длительности СКИ (сверхкороткий импульс), который может быть полностью разложен в витке меандровой линии задержки. Технический результат достигается за счет выбора параметров линии. Линия задержки состоит из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, диэлектрической среды, с выбором параметров линии такими, что обеспечиваются равенство среднего геометрического значения волновых сопротивлений четной и нечетной мод волновому сопротивлению тракта, в который включена линия, значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии, а также модуля их разности, умноженных на длину линии, большие, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию, отличающаяся тем, что выбором параметров поперечного сечения линии также обеспечивается равенство удвоенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии значению максимальной из этих задержек. 3 ил.

Фильтр режектирования помех // 2642418

Изобретение относится к радиолокационной технике и предназначено для выделения сигналов движущихся целей на фоне пассивных помех при групповой перестройке несущей частоты зондирующих импульсов. Достигаемый технический результат - повышение эффективности выделения сигналов движущихся целей. Указанный результат достигается тем, что фильтр режектирования помех содержит первый и второй блоки задержки, блок весовых коэффициентов, первый и второй комплексные перемножители, весовой блок, комплексный сумматор, блок комплексного сопряжения, блок переключения, блок точности, блок коммутации, двухканальный коммутатор и синхрогенератор, определенным образом соединенные между собой и осуществляющие когерентную обработку исходных отсчетов. При этом оптимальная согласованная обработка приводит к повышению точности компенсации помехи и выделению сигналов движущихся целей при перестройке несущей частоты на фоне пассивных помех с априорно неизвестной доплеровской скоростью. 11 ил.