Низкочувствительный полосовой фильтр с независимой подстройкой основных параметров

Изобретение относится к средствам радиотехники и связи и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Технический результат заключается в обеспечении независимой подстройки трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ω_p), затухания полюса (d_p), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М). Фильтр включает первый и второй дифференциальные усилители, конденсаторы и резисторы, соединенные между собой таким образом, чтобы при изменении сопротивлений четвертого и шестого резисторов изменяется наклон ФЧХ в области частоты полюса и подъем АЧХ на этой частоте При этом частота полюса остается неизменной. При настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет -135 и -225 град. При изменении коэффициента М передачи на центральной частоте с помощью сопротивлений первого и пятого резисторов изменяется только общий уровень АЧХ, при этом ФЧХ не изменяется. 5 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.

Полосовые АRC-фильтры (ПФ) относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических систем, в том числе для цифровой обработки сигналов [1-28].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является полосовой АRC-фильтр по патенту RU 2154337 «Полосовой ARC-фильтр с повышением частоты полюса», опубл.: 10.08.2000. Он содержит (фиг. 1) вход 1 устройства и первый 2 дифференциальный операционный усилитель, выход которого связан с выходом устройства 3, первый 4, второй 5 и третий 6 последовательно соединенные резисторы, которые включены между выходом устройства 3 и общей шиной источников питания 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11 и восьмой 12 резисторы, а также первый 13 и второй 14 конденсаторы, причем общий узел первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 2.

Существенный недостаток ARC-фильтра-прототипа фиг. 1, а также других известных фильтров рассматриваемого класса [1-28], состоит в том, что в процессе подстройки его одного параметра, например, затухания или частоты полюса, изменяется третий важный параметр амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) – коэффициент передачи в полосе пропускания. Это значительно усложняет производство и настройку (например, с помощью микросхем цифровых потенциометров [29] или лазерной подгонки) ARC-фильтров данного класса.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании схемы полосового АRC-фильтра, которая обеспечивает независимую подстройку трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ω_p), затухания полюса (d_p), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М).

Поставленная задача достигается тем, что в полосовом ARC-фильтре фиг. 1, содержащем вход 1 устройства и первый 2 дифференциальный операционный усилитель, выход которого связан с выходом устройства 3, первый 4, второй 5 и третий 6 последовательно соединенные резисторы, которые включены между выходом устройства 3 и общей шиной источников питания 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11 и восьмой 12 резисторы, а также первый 13 и второй 14 конденсаторы, причем общий узел первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 2, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введен дополнительный дифференциальный операционный усилитель 15, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого 2 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные седьмой 11 резистор и первый 13 конденсатор, неинвертирующий вход первого 2 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания 7 через второй 14 конденсатор и через восьмой 12 резистор соединен с общим узлом последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов, между входом 1 устройства и выходом дополнительного 15 дифференциального операционного усилителя включены последовательно соединенные пятый 9 и шестой 10 резисторы, общий узел которых соединен с инвертирующим входом дополнительного 15 дифференциального операционного усилителя и через четвертый 8 резистор связан с инвертирующим входом первого 2 дифференциального операционного усилителя, причем неинвертирующий вход дополнительного 15 дифференциального операционного усилителя соединен с общей шиной источников питания 7.

На чертеже фиг. 1 показана схема ПФ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг. 3 приведены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики заявляемого полосового фильтра при подстройке частоты полюса ω_p.

На чертеже фиг. 4 показаны амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики заявляемого полосового фильтра при подстройке затухания полюса d_p.

На чертеже фиг. 5 представлены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики заявляемого полосового фильтра при подстройке коэффициента передачи M.

Низкочувствительный полосовой фильтр с независимой подстройкой основных параметров фиг. 2 содержит вход 1 устройства и первый 2 дифференциальный операционный усилитель, выход которого связан с выходом устройства 3, первый 4, второй 5 и третий 6 последовательно соединенные резисторы, которые включены между выходом устройства 3 и общей шиной источников питания 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11 и восьмой 12 резисторы, а также первый 13 и второй 14 конденсаторы, причем общий узел первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 2. В схему введен дополнительный дифференциальный операционный усилитель 15, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого 2 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные седьмой 11 резистор и первый 13 конденсатор, неинвертирующий вход первого 2 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания 7 через второй 14 конденсатор и через восьмой 12 резистор соединен с общим узлом последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов, между входом 1 устройства и выходом дополнительного 15 дифференциального операционного усилителя включены последовательно соединенные пятый 9 и шестой 10 резисторы, общий узел которых соединен с инвертирующим входом дополнительного 15 дифференциального операционного усилителя и через четвертый 8 резистор связан с инвертирующим входом первого 2 дифференциального операционного усилителя, причем неинвертирующий вход дополнительного 15 дифференциального операционного усилителя соединен с общей шиной источников питания 7.

Рассмотрим работу схемы фиг. 2.

Свойства схемы классического полосового фильтра второго порядка, в том числе схемы фиг. 2, определяются его передаточной функцией [28]

где М – коэффициент передачи фильтра на центральной частоте; ω_p – частота полюса; d_p – затухание полюса.

Коэффициенты передаточной функции предлагаемой схемы полосового фильтра определяются по выражениям:

- коэффициент передачи

,

(1)

- частота полюса,2)

- затухание полюса

,

(3)

где , , , , , , , - сопротивления первого 4, второго 5, третьего 6, четвертого 8, пятого 9, шестого 10, седьмого 11 и восьмого 12 резисторов соответственно, , - емкости первого 13 и второго 14 конденсаторов соответственно.

Независимая настройка параметров ПФ фиг. 2 возможна тогда, когда при настройке последующего параметра схемы не потребуется изменять сопротивления резисторов, определяющие уже настроенный параметр. Из анализа полученных выше формул (1)-(3) для ω_p, d_p, М следует, что в предлагаемом ПФ фиг. 2 такая настройка осуществима в следующей последовательности:

Первый этап: настраивается частота полюса ω_р путем изменения сопротивлений второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6). Далее номиналы этих резисторов фиксируются.

Второй этап: настраивается затухание полюса d_p путем изменения сопротивлений четвертого 8 (R8) и шестого 10 (R10) резисторов. На втором этапе сопротивления второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) не изменяются.

Третий этап: настраивается коэффициент передачи М путем изменения сопротивления пятого 9 (R9) и первого 4 (R4) резисторов. На этом этапе сопротивления второго 5 (R5), третьего 6 (R6), четвертого 8 (R8), шестого 10 (R10), седьмого 11 (R11) и восьмого 12 (R12) резисторов не изменяются.

Следует заметить, что другие известные схемы ПФ [1-28], выполненные на двух операционных усилителях, данным свойством не обладают.

Эффективность рассмотренного выше алгоритма настройки ПФ фиг. 2 подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг. 3 - фиг. 5).

При моделировании схемы фиг. 2 собственная частота полюса RC-цепи

была выбрана равной 1000 Гц. В рассматриваемой схеме ПФ при любом соотношении сопротивлений второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) частота полюса фильтра будет всегда ниже частоты полюса RC-цепи.

По виду ФЧХ фиг. 3 можно судить, что частота полюса ω_р, на которой фазовый сдвиг равен -180⁰, изменяется за счет второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) в относительно широких пределах.

По виду ФЧХ фиг. 4 можно установить, что при изменении сопротивлений четвертого 8 (R8) и шестого 10 (R10) резисторов изменяются наклон ФЧХ в области частоты полюса и подъем АЧХ на этой частоте. При этом частота полюса остается неизменной (ω_р=const). При настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет -135⁰ и -225⁰.

При изменении коэффициента М передачи на центральной частоте с помощью сопротивлений первого 4 (R4) и пятого 9 (R9) резисторов изменяется только общий уровень АЧХ, при этом ФЧХ не изменяется – фиг. 5.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом – обеспечивает независимую подстройку основных параметров.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент SU 296228, 1971 г.

2. Патент SU 964977, 1982 г.

3. Патент SU 1629960, 1991 г.

4. Патент SU 1755364, 1992 г.

5. Патент SU 438095, 1974 г.

6. Патент RU 2154337, 2000 г.

7. Патент RU 2150782, 2000 г.

8. Патент RU 2089998, 1997 г.

9. Патент RU 2089041, 1997 г.

10. Патент SU 1777233, 1992 г.

11. Патент SU 792557, 1980 г.

12. Патент SU 807482, 1981 г.

13. Патент SU 1788570, 1993 г.

14. Патент RU 2019023, 1994 г.

15. Патент RU 2019024, 1994 г.

16. Патент RU 2165673, 2001 г.

17. Патент SU 987800, 1983 г.

18. Патент SU 376871,1973 г.

19. Патент SU 536590, 1976 г.

20. Патент SU 587602, 1978 г.

21. Патент SU 813690, 1981 г.

22. Патент SU 813694, 1981 г.

23. Патент SU 815868, 1981 г.

24. Патент US 3,946,328, 1976 г.

25. Патент SU 785954, 1980 г.

26. Патент US 4,659,995, 1987 г.

27. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 320 с.

28. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Букашкин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др.; Под ред. А.А. Ланнэ. – М.: Радио и связь, 1984. – 368 с.

29. Digital Potentiometers in the Tasks of Settings Precision Analog RC-filters Taking into Account the Tolerances for Passive Components / D.Yu. Denisenko, Y.I. Ivanov, N.N. Prokopenko, N.A. Dmitrienko // 18th IEEE International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM'2017) proceedings in. June 29 - July 3, 2017. – Pp. 205-210 DOI: 10.1109/EDM.2017.7981741.

Низкочувствительный полосовой фильтр с независимой подстройкой основных параметров, содержащий вход (1) устройства и первый (2) дифференциальный операционный усилитель, выход которого связан с выходом устройства (3), первый (4), второй (5) и третий (6) последовательно соединенные резисторы, которые включены между выходом устройства (3) и общей шиной источников питания (7), четвертый (8), пятый (9), шестой (10), седьмой (11) и восьмой (12) резисторы, а также первый (13) и второй (14) конденсаторы, причем общий узел первого (4) и второго (5) последовательно соединенных резисторов связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (2), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный дифференциальный операционный усилитель (15), выход которого соединен с неинвертирующим входом первого (2) дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные седьмой (11) резистор и первый (13) конденсатор, неинвертирующий вход первого (2) дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания (7) через второй (14) конденсатор, и через восьмой (12) резистор соединен с общим узлом последовательно соединенных второго (5) и третьего (6) резисторов, между входом (1) устройства и выходом дополнительного (15) дифференциального операционного усилителя включены последовательно соединенные пятый (9) и шестой (10) резисторы, общий узел которых соединен с инвертирующим входом дополнительного (15) дифференциального операционного усилителя и через четвертый (8) резистор связан с инвертирующим входом первого (2) дифференциального операционного усилителя, причем неинвертирующий вход дополнительного (15) дифференциального операционного усилителя соединен с общей шиной источников питания (7).