Режекторный фильтр четвертого порядка

Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники, и может использоваться, например, для осуществления фильтрации помех и защиты систем радиомониторинга в коротковолновом диапазоне. Технический результат - возможность регулировки полосы задерживания. Режекторный фильтр четвертого порядка, содержащий вход (1) устройства, связанный с источником сигнала (2), выход (3) устройства, подключенный к нагрузке (4), входной режекторный фильтр второго порядка с первым (5) и вторым (6) входами, а также основным выходом (7), первый (8) операционный усилитель, первый (9) резистор, второй (10) резистор, второй (11) операционный усилитель, третий (12) резистор, первый (13) конденсатор, общая шина источников питания (14), третий (15) операционный усилитель, четвертый (16), пятый (17), шестой (18) резисторы, четвертый (19) операционный усилитель, второй (20) конденсатор, седьмой (21), восьмой (22), девятый (23), десятый (24), одиннадцатый (25) резисторы. Источник сигнала (2) и нагрузка (4) согласованы с общей шиной источников питания (14). В схему введен выходной режекторный фильтр (26), идентичный входному режекторному фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый (27) (in.1*) и второй (28) (in.2*) входы, а также основной выход (29) (out.1*), дополнительный входной сумматор (30) с первым (31) и вторым (32) входами. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники, и может использоваться, например, для осуществления фильтрации помех в системах радиомониторинга в коротковолновом диапазоне [1].

Активные режекторные RC-фильтры (РФ) широко используются в современной электронике [1-22] и оказывают существенное влияние на качественные показатели многих аналоговых и аналого-цифровых систем связи [1-9].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является активный фильтр фиг.1, описанный в патенте RU 2110140 («Перестраиваемый ARC-фильтр», МПК H03H 11/04, 1998 г.). Он содержит (фиг.1) вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, выход 3 устройства, подключенный к нагрузке 4, входной режекторный фильтр второго порядка с первым 5 и вторым 6 входами, а также основным выходом 7, причем первый 5 вход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого 8 операционного усилителя через первый 9 резистор, инвертирующий вход первого 8 операционного усилителя связан с его выходом через второй 10 резистор, инвертирующий вход первого 8 операционного усилителя соединен с инвертирующим входом второго 11 операционного усилителя, инвертирующий вход второго 11 операционного усилителя связан с его выходом через третий 12 резистор, выход второго 11 операционного усилителя соединен с основным выходом 7 входного режекторного фильтра второго порядка, выход первого 8 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя через первый 13 конденсатор, неинвертирующий вход первого 8 операционного усилителя согласован с общей шиной источников питания 14, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка связан с инвертирующим входом третьего 15 операционного усилителя через последовательно соединенные четвертый 16 и пятый 17 резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источников питания 14 через шестой 18 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через второй 20 конденсатор, неинвертирующий вход третьего 15 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя и соединен с выходом четвертого 19 операционного усилителя через седьмой 21 резистор, инвертирующий вход четвертого 19 операционного усилителя связан с его выходом через восьмой 22 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя подключен к объединенным инвертирующим входам третьего 15 и четвертого 19 операционных усилителей через девятый 23 резистор, выход первого 8 операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через десятый 24 резистор, основной выход 7 входного режекторного фильтра второго порядка связан с общим узлом четвертого 16 и пятого 17 резисторов через одиннадцатый 25 резистор, источник сигнала 2 и нагрузка 4 согласованы с общей шиной источников питания 14.

Существенный недостаток известного устройства фиг.1 состоит в том, что в нем не реализуется изменение полосы задерживания. Это ограничивает области использования данной схемы.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании режекторного фильтра четвертого порядка, в котором предусмотрена возможность регулировки полосы задерживания.

Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре, содержащем вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, выход 3 устройства, подключенный к нагрузке 4, входной режекторный фильтр второго порядка с первым 5 и вторым 6 входами, а также основным выходом 7, причем первый 5 вход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого 8 операционного усилителя через первый 9 резистор, инвертирующий вход первого 8 операционного усилителя связан с его выходом через второй 10 резистор, инвертирующий вход первого 8 операционного усилителя соединен с инвертирующим входом второго 11 операционного усилителя, инвертирующий вход второго 11 операционного усилителя связан с его выходом через третий 12 резистор, выход второго 11 операционного усилителя соединен с основным выходом 7 входного режекторного фильтра второго порядка, выход первого 8 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя через первый 13 конденсатор, неинвертирующий вход первого 8 операционного усилителя согласован с общей шиной источников питания 14, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка связан с инвертирующим входом третьего 15 операционного усилителя через последовательно соединенные четвертый 16 и пятый 17 резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источников питания 14 через шестой 18 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через второй 20 конденсатор, неинвертирующий вход третьего 15 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя и соединен с выходом четвертого 19 операционного усилителя через седьмой 21 резистор, инвертирующий вход четвертого 19 операционного усилителя связан с его выходом через восьмой 22 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя подключен к объединенным инвертирующим входам третьего 15 и четвертого 19 операционных усилителей через девятый 23 резистор, выход первого 8 операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через десятый 24 резистор, основной выход 7 входного режекторного фильтра второго порядка связан с общим узлом четвертого 16 и пятого 17 резисторов через одиннадцатый 25 резистор, источник сигнала 2 и нагрузка 4 согласованы с общей шиной источников питания 14, предусмотрены новые элементы и связи - в схему устройства введен выходной режекторный фильтр 26, идентичный входному режекторному фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый 27 (in.1*) и второй 28 (in.2*) входы, а также основной выход 29 (out.1*), дополнительный входной сумматор 30, причем основной выход 7 входного режекторного фильтра второго порядка подключен к первому 27 (in.1*) входу выходного режекторного фильтра второго порядка 26, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка и второй 28 (in.2*) вход выходного режекторного фильтра второго порядка 26 согласованы с общей шиной источников питания 14, основной выход 29 (out.1*) выходного режекторного фильтра второго порядка 26 соединен с выходом 3 устройства и первым 31 входом дополнительного входного сумматора 30, вход 1 устройства подключен ко второму 32 входу дополнительного входного сумматора 30, выход дополнительного входного сумматора 30 соединен с первым 5 входом входного режекторного фильтра второго порядка.

На чертеже фиг.1 показана схема РФ-прототипа, а на чертеже фиг.2 - схема заявляемого режекторного фильтра четвертого порядка по п.1 формулы изобретения.

На чертеже фиг.3 показан режекторный фильтр четвертого порядка с конкретной реализацией выходного режекторного фильтра второго порядка 27 по п.1 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4 представлен вариант реализации и схема включения дополнительного входного сумматора 30 с первым 31 и вторым 32 входами, реализуемого на основе дополнительного операционного усилителя 33, первого 34, второго 35 и третьего 36 вспомогательных резисторов по п.2 формулы изобретения.

На чертеже фиг.5 представлены результаты компьютерного моделирования схемы РФ фиг.2.

На чертеже фиг.6 показано устройство для автоматической настройки активных фильтров.

Режекторный фильтр четвертого порядка, содержащий вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, выход 3 устройства, подключенный к нагрузке 4, входной режекторный фильтр второго порядка с первым 5 и вторым 6 входами, а также основным выходом 7, причем первый 5 вход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого 8 операционного усилителя через первый 9 резистор, инвертирующий вход первого 8 операционного усилителя связан с его выходом через второй 10 резистор, инвертирующий вход первого 8 операционного усилителя соединен с инвертирующим входом второго 11 операционного усилителя, инвертирующий вход второго 11 операционного усилителя связан с его выходом через третий 12 резистор, выход второго 11 операционного усилителя соединен с основным выходом 7 входного режекторного фильтра второго порядка, выход первого 8 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя через первый 13 конденсатор, неинвертирующий вход первого 8 операционного усилителя согласован с общей шиной источников питания 14, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка связан с инвертирующим входом третьего 15 операционного усилителя через последовательно соединенные четвертый 16 и пятый 17 резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источников питания 14 через шестой 18 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через второй 20 конденсатор, неинвертирующий вход третьего 15 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя и соединен с выходом четвертого 19 операционного усилителя через седьмой 21 резистор, инвертирующий вход четвертого 19 операционного усилителя связан с его выходом через восьмой 22 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя подключен к объединенным инвертирующим входам третьего 15 и четвертого 19 операционных усилителей через девятый 23 резистор, выход первого 8 операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через десятый 24 резистор, основной выход 7 входного режекторного фильтра второго порядка связан с общим узлом четвертого 16 и пятого 17 резисторов через одиннадцатый 25 резистор, источник сигнала 2 и нагрузка 4 согласованы с общей шиной источников питания 14. В схему устройства введен выходной режекторный фильтр 26, идентичный входному режекторному фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый 27 (in.1*) и второй 28 (in.2*) входы, а также основной выход 29 (out.1*), дополнительный входной сумматор 30, причем основной выход 7 входного режекторного фильтра второго порядка подключен к первому 27 (in.1*) входу выходного режекторного фильтра второго порядка 26, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка и второй 28 (in.2*) вход выходного режекторного фильтра второго порядка 26 согласованы с общей шиной источников питания 14, основной выход 29 (out.1*) выходного режекторного фильтра второго порядка 26 соединен с выходом 3 устройства и первым 31 входом дополнительного входного сумматора 30, вход 1 устройства подключен ко второму 32 входу дополнительного входного сумматора 30, выход дополнительного входного сумматора 30 соединен с первым 5 входом входного режекторного фильтра второго порядка.

Рассмотрим работу схемы режекторного фильтра фиг.2.

Передаточная функция схемы РФ четвертого порядка описывается выражением

(1)

Характер изменения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных характеристик (ФЧХ) фильтра зависят от численных значений коэффициентов числителя и знаменателя передаточной функции, а его свойства, т.е. возможность перестройки по частоте, регулировки полосы пропускания, неравномерности АЧХ и коэффициентов передач на нулевой и бесконечно большой частоте, определяются топологией схемы. Известно, что для перестройки фильтра четвертого порядка по частоте при неизменных других параметрах необходимо одновременно изменять как минимум параметры четырех элементов, например, сопротивлений четырех резисторов или емкостей четырех конденсаторов. Наиболее просто это осуществить, используя в качестве элементов перестройки различные переменные резисторы, в том числе с электронной перестройкой параметров. Причем, наиболее простые схемы получаются, когда все электронные компоненты перестройки имеют идентичные характеристики. Поставленная задача решается, например, на идентичных звеньях режекторных фильтров второго порядка, имеющих равные значения частот полюсов , затуханий и масштабных коэффициентов передач

(2)

За счет введения обратной связи с выхода второго звена через дополнительный инвертирующий усилитель, режекторным фильтром четвертого порядка (фиг.2) реализуется передаточная функция (1), коэффициенты которой определяются соотношениями

(3)

Благодаря такой зависимости коэффициентов передаточной функции фильтра от параметров отдельных звеньев и коэффициента передачи дополнительного инвертирующего усилителя в режекторном фильтре четвертого порядка возможно задание неравномерности АЧХ в полосе пропускания с помощью изменения коэффициента передачи по цепи обратной связи , при этом полоса заграждения фильтра зависит от выбранного значения затуханий в звеньях.

Для упрощения соотношений (3) значения коэффициентов передач звеньев независимо от реализуемых ими передаточных функций выбраны равными, но это не является обязательным условием при реализации конкретной схемы фильтра четвертого порядка.

Регулировка полосы задерживания режекторного фильтра может осуществляться с помощью цепей настройки с цифровыми потенциометрами (ЦП), в т.ч. в автоматическом режиме с использованием микроконтроллера (фиг.6). Ряд моделей ЦП содержат энергонезависимые запоминающие устройства для хранения кодов управления. Эти ЦП могут применяться в прецизионных устройствах вместе со средствами автоматической калибровки и настройки. Основные элементы могут иметь стандартный разброс параметров. Влияние чрезмерно большого допуска на параметры элементов можно устранить процедурами настройки с сохранением кодов управления в ЦП на весь требуемый период эксплуатации. Микроконтроллерное устройство для автоматической настройки активных фильтров рассмотрено на фиг.6. Дополнительные резисторы Rw и Rq (фиг.6) введены для снижения чувствительности и повышения точности настройки. Расчеты показывают, что для настройки можно применять недорогие 128 и 256 позиционные ЦП [23-24].

В результате компьютерного моделирования заявляемой схемы РФ четвертого порядка, приведенной на фиг.2 в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap, было получено семейство АЧХ фильтра (фиг.5) при изменении коэффициента обратной связи , которое подтвердило работоспособность предложенного решения.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Красиков М.И. Режекторный фильтр КВ диапазона для широкополосных систем радиомониторинга. / М.И. Красиков, Д.Г. Гарш, И.Н. Бармин. // Автоматизация технических процессов и устройств. Сборник докладов. - ИТ АРКТИКА. - 2016. - №3. - С 59 -63.

2. Богнер Р. Введение в цифровую фильтрацию. / Р. Богнер, А. Константинидис.- М.: Мир, 1976. - 478 с.33.

3. Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство. / Дж. Ленк. - М.: Мир, 1985. - 343 с.

4. Головин О.В. Профессиональные радиоприемные устройства декаметрового диапазона / О.В. Головин - М.: Радио и связь, 1985. - 288 с.

5. Симон В.А., Герасимов В.А., Кострин Д.К. / Режекторный фильтр с настраиваемыми параметрами // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». -2017, №5, C.3-9.

6. Симон В. А. Режекторный фильтр с независимой регулировкой центральной частоты и добротности / В. А. Герасимов, Д. К. Кострин, Л. М. Селиванов, В. А. Симон, А. А. Ухов // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. - 2017. - Т. 17. - №4. - С.1068-1070.

7. Симон В. А. Способ увеличения глубины подавления режекторного фильтра / В. А. Симон // Труды 71-й научно-технической конференции, посвященной Дню Радио. - Санкт-Петербург.- С.357-358.

8. Хьюлсман Л. П., Аллен Ф. Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ. Москва, издательство: Радио и связь, 1984. - 384 с.

9. 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.

10. Патент RU 2110140, 1998 г.

11. Патент SU 491195, 1975 г.

12. Патент SU 1363443, 1987 г.

13. Патент SU 1246342, 1986 г.

14. Патент RU 180799, 2018 г.

15. Патент SU 1739479, 1992 г.

16. Патент SU 1056431, 1983 г.

17. Патент SU 375030, 1973 г.

18. Патент SU 374703, 1973 г.

19. Патент CN103314481, 2013 г.

20. Патент US7340237, 2007 г.

21. Патент US6677815, 2003 г.

22. Патент CN203912166, 2014 г.

23. Цифровые потенциометры. URL: https://www.analog.com/ru/products/digital-to-analog-converters/digital-potentiometers.html

24. Huang H. Y., Chen K. Y., Xie J. H., Lee M. T., Hong H. C. and Cheng K. H. Gm-C filter with automatic calibration scheme // 19th IEEE International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits & Systems (DDECS’2016), Kosice. 2016. pp. 1-4. DOI: 10.1109/DDECS.2016.7482471.

1. Режекторный фильтр четвертого порядка, содержащий вход (1) устройства, связанный с источником сигнала (2), выход (3) устройства, подключенный к нагрузке (4), входной режекторный фильтр второго порядка с первым (5) и вторым (6) входами, а также основным выходом (7), причем первый (5) вход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого (8) операционного усилителя через первый (9) резистор, инвертирующий вход первого (8) операционного усилителя связан с его выходом через второй (10) резистор, инвертирующий вход первого (8) операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго (11) операционного усилителя, инвертирующий вход второго (11) операционного усилителя связан с его выходом через третий (12) резистор, выход второго (11) операционного усилителя соединён с основным выходом (7) входного режекторного фильтра второго порядка, выход первого (8) операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго (11) операционного усилителя через первый (13) конденсатор, неинвертирующий вход первого (8) операционного усилителя согласован с общей шиной источников питания (14), второй (6) вход входного режекторного фильтра второго порядка связан с инвертирующим входом третьего (15) операционного усилителя через последовательно соединённые четвертый (16) и пятый (17) резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источников питания (14) через шестой (18) резистор, выход третьего (15) операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого (19) операционного усилителя через второй (20) конденсатор, неинвертирующий вход третьего (15) операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго (11) операционного усилителя и соединён с выходом четвертого (19) операционного усилителя через седьмой (21) резистор, инвертирующий вход четвертого (19) операционного усилителя связан с его выходом через восьмой (22) резистор, выход третьего (15) операционного усилителя подключен к объединённым инвертирующим входам третьего (15) и четвертого (19) операционных усилителей через девятый (23) резистор, выход первого (8) операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого (19) операционного усилителя через десятый (24) резистор, основной выход (7) входного режекторного фильтра второго порядка связан с общим узлом четвертого (16) и пятого (17) резисторов через одиннадцатый (25) резистор, источник сигнала (2) и нагрузка (4) согласованы с общей шиной источников питания (14), отличающийся тем, что в схему устройства введен выходной режекторный фильтр (26), идентичный входному режекторному фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый (27) (in.1*) и второй (28) (in.2*) входы, а также основной выход (29) (out.1*), дополнительный входной сумматор (30), причем основной выход (7) входного режекторного фильтра второго порядка подключен к первому (27) (in.1*) входу выходного режекторного фильтра второго порядка (26), второй (6) вход входного режекторного фильтра второго порядка и второй (28) (in.2*) вход выходного режекторного фильтра второго порядка (26) согласованы с общей шиной источников питания (14), основной выход (29) (out.1*) выходного режекторного фильтра второго порядка (26) соединён с выходом (3) устройства и первым (31) входом дополнительного входного сумматора (30), вход (1) устройства подключен ко второму (32) входу дополнительного входного сумматора (30), выход дополнительного входного сумматора (30) соединён с первым (5) входом входного режекторного фильтра второго порядка.

2. Режекторный фильтр четвертого порядка по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный входной сумматор (30) выполнен на основе дополнительного операционного усилителя (33), первого (34), второго (35) и третьего (36) вспомогательных резисторов, причём первый (31) вход дополнительного входного сумматора (30) соединён с инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя (33) через первый (34) вспомогательный резистор и подключен к его выходу через второй (35) вспомогательный резистор, второй (32) вход дополнительного входного сумматора (30) связан с инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя (33) через третий (36) вспомогательный резистор, выход дополнительного операционного усилителя (33) является выходом дополнительного входного сумматора (30), неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя (33) согласован с общей шиной источников питания (14).