Полосовой фильтр с независимой подстройкой основных параметров

Изобретение относится к средствам выделения заданного спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Технический результат заключается в обеспечении полосового фильтра с более низкой параметрической чувствительностью при независимой подстройке трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ωs), затухания полюса (ds), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М). Это достигается за счет настройки частоты полюса путем изменения сопротивлений второго и третьего резисторов, настройки затухания полюса путем изменения сопротивлений первого и четвертого или шестого резисторов, настройки коэффициента передачи М путем изменения сопротивления пятого резистора. 5 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике 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]. В данном классе устройств особое место занимают фильтры с независимой подстройкой основных параметров [29-33].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является полосовой фильтр по патенту RU 2694134, фиг. 2, 2019 г. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5, второй 6 и третий 7 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, связанного с выходом 2 устройства, и общей шиной источника питания 8, причем общий узел первого 5 и второго 6 последовательно соединенных резисторов подключен к инвертирующему входу первого 3 дифференциального операционного усилителя, четвертый 9 и пятый 10 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя и входом 1 устройства, причем неинвертирующий вход второго 4 дифференциального операционного усилителя соединен с общим узлом последовательно соединенных четвертого 9 и пятого 10 резисторов и связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через шестой 11 резистор, а неинвертирующий вход второго 4 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источника питания 8, седьмой 12 и восьмой 13 резисторы, а также первый 14 и второй 15 конденсаторы.

Существенный недостаток полосового фильтра-прототипа фиг. 1 состоит в том, что он не обеспечивает низкую параметрическую чувствительность при настройке добротности.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании схемы полосового фильтра с более низкой параметрической чувствительностью при независимой подстройке трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ωs), затухания полюса (ds), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М).

Поставленная задача достигается тем, что в полосовом фильтре фиг. 2, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5, второй 6 и третий 7 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, связанного с выходом 2 устройства, и общей шиной источника питания 8, причем общий узел первого 5 и второго 6 последовательно соединенных резисторов подключен к инвертирующему входу первого 3 дифференциального операционного усилителя, четвертый 9 и пятый 10 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя и входом 1 устройства, причем неинвертирующий вход второго 4 дифференциального операционного усилителя соединен с общим узлом последовательно соединенных четвертого 9 и пятого 10 резисторов и связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через шестой 11 резистор, а неинвертирующий вход второго 4 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источника питания 8, седьмой 12 и восьмой 13 резисторы, а также первый 14 и второй 15 конденсаторы, предусмотрены новые элементы и связи – выход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные конденсатор 15 и восьмой 13 резистор, причем общий узел второго 15 конденсатора и восьмого 13 резистора соединен с выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя через первый 14 конденсатор и соединен с общим узлом последовательно соединенных второго 6 и третьего 7 резисторов через седьмой 12 резистор, кроме этого, неинвертирующий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания 8 через дополнительный конденсатор 16.

На чертеже фиг. 1 представлена схема ПФ-прототипа.

На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого ПФ в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлены графики изменения амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик ПФ фиг.2 при настройке частоты полюса последовательно соединенными вторым 6 (R6) и третьем 7 (R7) резисторами.

На чертеже фиг. 4 приведены АЧХ и ФЧХ схемы ПФ фиг. 2 при настройке затухания полюса (ds) с помощью первого 5 (R5), четвертого 9 (R9) и шестого 11(R11) резисторов.

На чертеже фиг. 5 показаны графики изменения АЧХ и ФЧХ схемы ПФ фиг. 2 при настройке коэффициента передач (M) с помощью пятого 10 (R10) резистора.

Полосовой фильтр с независимой подстройкой основных параметров фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5, второй 6 и третий 7 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, связанного с выходом 2 устройства, и общей шиной источника питания 8, причем общий узел первого 5 и второго 6 последовательно соединенных резисторов подключен к инвертирующему входу первого 3 дифференциального операционного усилителя, четвертый 9 и пятый 10 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя и входом 1 устройства, причем неинвертирующий вход второго 4 дифференциального операционного усилителя соединен с общим узлом последовательно соединенных четвертого 9 и пятого 10 резисторов и связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через шестой 11 резистор, а неинвертирующий вход второго 4 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источника питания 8, седьмой 12 и восьмой 13 резисторы, а также первый 14 и второй 15 конденсаторы, отличающийся тем, что выход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные конденсатор 15 и восьмой 13 резистор, причем общий узел второго 15 конденсатора и восьмого 13 резистора соединен с выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя через первый 14 конденсатор и соединен с общим узлом последовательно соединенных второго 6 и третьего 7 резисторов через седьмой 12 резистор, кроме этого, неинвертирующий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания 8 через дополнительный конденсатор 16.

Рассмотрим работу ПФ фиг. 2.

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

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

Коэффициенты передаточной функции предлагаемой схемы ПФ определяются по выражениям:

- коэффициент передачи

,

где

- частота полюса

- затухание полюса

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 формул 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_s путем изменения сопротивлений второго 6 и третьего 7 резисторов (R6 и R7). Далее номиналы этих резисторов фиксируются.

Второй этап: настраивается затухание полюса d_s путем изменения сопротивлений резисторов первого 5 (R5) и четвертого 9 (R9) или шестого 11 (R11) резисторов. На втором этапе сопротивления второго 6 и третьего 7 резисторов (R6 и R7) не изменяются.

Третий этап: настраивается коэффициент передачи М путем изменения сопротивления пятого 10 резистора (R10). На этом этапе сопротивления первого 5 (R5), второго 6 (R6), третьего 7 (R7), четвертого (R9), шестого 11 (R11) резисторов не изменяются.

Следует заметить, что другие известные схемы ПФ с низкой параметрической чувствительностью, 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).

По виду ФЧХ фиг. 3 можно судить, что частота полюса ω_s, на которой фазовый сдвиг равен -180⁰, изменяется за счет второго 6 и третьего 7 резисторов (R6 и R7) в относительно широких пределах.

По виду ФЧХ фиг. 4 можно установить, что при изменении сопротивлений первого 5 и четвертого 9 резисторов (R5, R9) изменяется наклон ФЧХ в области частоты полюса, а также изменяется подъем АЧХ на этой частоте. При этом частота полюса остается неизменной (ω_s=const).

Аналогичные результаты получаются при изменении сопротивления шестого 11 (R11) резистора (фиг. 4). При настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет -135⁰ и -225⁰.

При проектировании фильтров на основе рассмотренной схемы сопротивление седьмого 12 резистора (R12) следует выбирать значительно больше эквивалентного сопротивления резистивного делителя напряжения, состоящего из второго 6 и третьего 7 резисторов (R6 и R7), то есть необходимо выполнять соотношение

В сравнении с известными ПФ, заявляемая схема ПФ имеет более низкую параметрическую чувствительность при настройке равных добротностей.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.

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. Патент RU 2688237, 2019 г.

30. Патент RU 2694134, 2019 г.

31. Патент RU 2701095, 2019 г.

32. Патент RU 2697944, 2019 г.

33. Патент RU 2701038, 2019 г.

Полосовой фильтр с независимой подстройкой основных параметров, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) и второй (4) дифференциальные операционные усилители, первый (5), второй (6) и третий (7) последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго (4) дифференциального операционного усилителя, связанного с выходом (2) устройства, и общей шиной источника питания (8), причем общий узел первого (5) и второго (6) последовательно соединенных резисторов подключен к инвертирующему входу первого (3) дифференциального операционного усилителя, четвертый (9) и пятый (10) последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго (4) дифференциального операционного усилителя и входом (1) устройства, причем неинвертирующий вход второго (4) дифференциального операционного усилителя соединен с общим узлом последовательно соединенных четвертого (9) и пятого (10) резисторов и связан с инвертирующим входом первого (3) дифференциального операционного усилителя через шестой (11) резистор, а неинвертирующий вход второго (4) дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источника питания (8), седьмой (12) и восьмой (13) резисторы, а также первый (14) и второй (15) конденсаторы, отличающийся тем, что выход первого (3) дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом первого (3) дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные конденсатор (15) и восьмой (13) резистор, причем общий узел второго (15) конденсатора и восьмого (13) резистора соединен с выходом второго (4) дифференциального операционного усилителя через первый (14) конденсатор и соединен с общим узлом последовательно соединенных второго (6) и третьего (7) резисторов через седьмой (12) резистор, кроме этого, неинвертирующий вход первого (3) дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания (8) через дополнительный конденсатор (16).