ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ARC-ФИЛЬТР Российский патент 1994 года по МПК H03H11/12 

Описание патента на изобретение RU2019904C1

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в частотно-селективных устройствах с управляемыми параметрами.

Цель изобретения - расширение диапазона рабочих частот и упрощение настройки.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого фильтра.

Программируемый ARC-фильтр содержит первый операционный усилитель (ОУ) 1, первый и второй управляемые интеграторы 2 и 3, первый, второй и третий резисторы 4, 5 и 6, первый цифроаналоговый преобразователь 7, второй операционный усилитель 8, четвертый резистор 9, первый конденсатор 10, третий операционный усилитель 11, второй цифроаналоговый преобразователь 12, четвертый операционный усилитель 13, пятый резистор 14, второй конденсатор 15, пятый операционный усилитель 16, шестой, седьмой и восьмой резисторы 17, 18 и 19, третий конденсатор 20 и девятый резистор 21.

Программируемый ARC-фильтр работает следующим образом.

Входной гармонический сигнал подается на один из входов устройства (Вх. 1 или Вх. 2) и, проходя через программируемый ARC-фильтр, поступает на один из выходов (Вых. 1 - Вых. 4). В результате программируемый ARC-фильтр характеризуется передаточной функцией второго порядка
Fgl(p) = Mgl , (1) где р - оператор дифференцирования;
dp - затухание полюса (dp=1/Qp, Qp - добротность полюса);
ω р - частота полюса;
а1, ао - коэффициенты полинома числителя, зависящие от узла подачи и съема сигнала;
Mgl - масштабный коэффициент передачи;
g - узел подачи сигнала;
l - узел съема сигнала.

Идеализированные основные параметры программируемого ARC-фильтра (при условии, что коэффициенты усиления ОУ равны бесконечности μ-∞ ) определяются соотношениями
ωp= = , Ko= (2)
Qp= 1+ + (3)
Mp= , Mв.ч= , Mп= , Mн.ч= (4)
где Т1, Т2 - эквивалентные постоянные времени, а τ1=R7C1, τ2= R8C2 - постоянные времени RC-цепей.

K1,2= - коэффициенты передач первого 7 и второго 12 цифроаналоговых преобразователей, изменяющиеся под дейсвием двоичного кода частоты Nf( γi) настройки фильтра, i соответствует i-му ключу, γi - состояние i-го ключа ЦАП, γ принимает два логических состояния: 1- при замкнутом ключе ЦАП, 0 - при разомкнутом состоянии ключа ЦАП;
n - число разрядов матрицы R-2R ЦАП;
R1-R8 - сопротивления второго 5, первого 4, восьмого 19, девятого 21, третьего 6, седьмого 18, пятого 14 и шестого 17 резисторов соответственно;
С1, С2 - емкости первого 10 и второго 15 конденсаторов;
Мр - коэффициент передачи со второго входа на выход режекторного фильтра на частоте полюса;
Мв.ч. - коэффициент передачи с первого входа на выход фильтра верхних частот полюса;
Мп - коэффициент передачи со второго входа на выход полосового фильтра на частоте полюса;
Мн.ч - коэффициент передачи с первого входа на выход фильтра нижних частот при бесконечно маленькой частоте (на постоянном токе).

Анализ формул (3), (4) показывает, что добротность полюса Qp может управляться изменением сопротивления R1 второго резистора 5 без изменения частоты полюса ωp и коэффициентов передач Мв.ч, Мп и Мн.ч.

Таким образом, в предлагаемом фильтре возможна неитерационная процедура настройки основных параметров при выполнении ее по следующим этапам:
1) устанавливается частота полюса с помощью изменения сопротивления R5 третьего резистора 6;
2) устанавливаются коэффициенты передачи (Мн.ч и Мв.ч) фильтров нижних и верхних частот с помощью изменения сопротивления седьмого резистора 18, а коэффициент передачи Мп полосового фильтра - с помощью изменения сопротивления R4 девятого резистора 21;
3) устанавливается добротность полюса с помощью изменения сопротивления R1 второго резистора 5, чем и достигается упрощение настройки.

Для режекторного фильтра однозначность настройки определяется только для частоты полюса с помощью изменения сопротивления R2 или R5первого 4 или третьего 6 резисторов и добротности полюса с помощью изменения сопротивлений R1, R3 или R4 второго 5, восьмого 19 или девятого 21 резисторов. В общем случае коэффициенты передаточной функции (1) и, следовательно, ее основные параметры зависят не только от резистивных и емкостных элементов схемы, но и от параметров ОУ. Оценкой влияния активных элементов на частоту полюса и добротность полюса Qpмогут служить относительные изменения этих параметров идеализированного звена.

Для оценки влияния частотных свойств ОУ его передаточная функция аппроксимируется следующим соотношением:
μ(p) = (5) где П= μωгр - площадь усиления ОУ;
μ - коэффициент усиления ОУ на постоянном токе;
μгр= - граничная частота АЧХ ОУ по уровню - 3 дБ.

Относительные изменения параметров, полученные из анализа предложенной схемы фильтра методом графов с учетом соотношения (5), имеют вид
δωp= - _ + + +
+ + - + + 1+αoα2α3K1+ +
+ + - + - 1+ + ,
(6)
δdp= -ωpQB + - + + 1 + - +
+ + 1 + - 1+αoα2α3K2+ + 1 + +
+ - B + - + - -
- 1 + + δωp.

где R9 - сопротивление четвертого резистора 9;
П1, П2, П3, П4, П5 - площади усиления первого ОУ 1, второго ОУ 8, третьего ОУ 11, четвертого ОУ 13 и пятого ОУ 16;
αo, α1, α2, α3 - логические переменные, принимающие значения 0 или 1 и характеризующие признак связи инвертирующего входа пятого ОУ 16 с неинвертирующим входом первого ОУ 1, инвертирующего входа четвертого ОУ 13 с неинвертирующим входом пятого ОУ 16, инвертирующего входа первого ОУ 1 с неинвертирующим входом второго ОУ 8, неинвертирующего входа третьего ОУ 11 с инвертирующим входом четвертого ОУ 13 соответственно;
τ33R2 - постоянная времени, образованная третьим конденсатором 20 и первым резистором 4;
Кхj - коэффициент передачи j-й ненагруженной матрицы R-2R (1);
B ≈ 1 + - коэффициент передачи первого ОУ 1 с неинвертирующего входа на выход.

Как следует из выражений (6) и (7), введение дополнительных связей αo, α1, α2 и α3, а также третьего С3, конденсатора 20 и (или) сопротивления R9 девятого резистора 21 приводит к появлению в квадратных скобках разностных членов, что позволяет минимизировать величины δωpиδdp и, следовательно, расширить диапазон рабочих частот.

Из приведенных соотношений видно, что полная компенсация ( δ dp= 0) возможна с помощью С3 и (или) R9. Выбор конкретного варианта зависит от различных факторов. Так, при использовании R9 обеспечивается высокая стабильность добротности полюса к изменению площадей усиления ОУ. Однако при этом не только повышается чувствительность частоты полюса, но и несколько уменьшается динамический диапазон. Если это же условие обеспечивается конденсатором С3, то увеличивается чувствительность добротности к площади усиления ОУ при неизменной чувствительности частоты полюса и динамическом диапазоне.

На практике для минимизации δ dp необходимо скомпенсировать члены, пропорциональные Qp, оказывающие доминирующее влияние на dp. Тогда, при идентичных усилителях (П12345=П) и α123o=1, Qp>>1, Т12,C3= , В= 3, а также К012х1= Кх2=1, что соответствует максимальной частоте полюса, из формул (6) и (7) получаем
δωp = - ; δdp= -2 (8)
Соответствующие относительные изменения параметров устройства-прототипа, полученные из анализа его схемы, имеют вид
δωp = ; δdp= -8 (9)
Формулы (9) можно также получить из формул (6) и (7), в которых положим αo123=0, конденсатор С3=0, а резистор R9= ∞ (при этом получается схема-прототип). Для оценки выигрыша в частотном диапазоне необходимо воспользоваться функциями чувствительности и определить отклонение АЧХ (F(jω)) прототипа и предлагаемого устройства.

Как известно
F(jω) = S δωp+SQ, δp (10) где S= Qp - чувствительность АЧХ к изменению ωp на границе полосы пропускания;
S= 0,5 - чувствительность АЧХ к изменению Qp на границе полосы пропускания.

Подставляя в выражение (10) относительные изменения параметров (8) и (9) получим
для прототипа
F(jω)= -Qp + 0,5·8 ≈ 3,5 ,
для предлагаемого устройства
F(jω)= -Q + 0,5·2 ≈ - (Qp-1)
Так как Δ|F(jω)| линейно зависят от частоты ωp, то при одном и том же отклонении АЧХ Δ|F(jω)| частота полюса ωp у предложенного устройства будет в 3,5 раза больше, чем у прототипа, и во столько же раз будет больше диапазон его рабочих частот. Следовательно, выигрыш в частотном диапазоне можно определить из выражения
N = = ≈ 3,5 (раз) (11)
Таким образом, в результате введения дополнительных связей достигается компенсация влияния площадей усиления ОУ на параметры устройства и благодаря этому расширяется диапазон его рабочих частот.

Применение программируемого ARC-фильтра особенно эффективно тогда, когда необходимо перестраивать частоту полюса ωp в широких пределах (в 10 и более раз) с сохранением заданной добротности полюса Qp. Это требуется в подавляющем большинстве перестраиваемых фильтров, встречающихся в практике. Так, к примеру, если в фильтрах с Qp=10 использовать ОУ с площадью усиления П=1 мГц, то при допустимом отклонении затухания полюса ( δdp=10%) максимальная частота полюса ωp в устройстве-прототипе составит 1,25 кГц, а в предлагаемом техническом решении более 20 кГц. В этом случае предложенный фильтр будет работать на частотах ωp, в 15-20 раз больших, чем прототип, и, следовательно, будет иметь диапазон рабочих частот во столько же раз шире.

Для реализации УЦАП в программируемом ARC-фильтре можно использовать ОУ типа К1402Д12, К154УД1А, К544УД1 и ЦАП типа К572ПА1 или другие аналогичные микросхемы.

Предложенный программируемый ARC-фильтр имеет более простую процедуру настройки и существенно больший диапазон рабочих частот при таком же, как у прототипа, числе активных элементов.

Похожие патенты RU2019904C1

название год авторы номер документа
АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР 1990
  • Гришин С.В.
  • Крутчинский С.Г.
RU2019023C1
АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР 1990
  • Гришин С.В.
  • Крутчинский С.Г.
RU2019024C1
АКТИВНЫЙ RC-ФАЗОВЫЙ КОНТУР 1991
  • Гришин С.В.
  • Крутчинский С.Г.
RU2019027C1
АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР 1990
  • Гришин С.В.
  • Крутчинский С.Г.
RU2019025C1
ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ARC-ФИЛЬТР 1990
  • Гришин С.В.
  • Иванов Ю.И.
  • Крутчинский С.Г.
RU2040853C1
ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ARC-ФИЛЬТР 1995
  • Гришин С.В.
  • Иванов Ю.И.
  • Крутчинский С.Г.
RU2110140C1
ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ARC-ФИЛЬТР 2000
  • Иванов Ю.И.
  • Крутчинский С.Г.
RU2169430C1
ПОЛОСОВОЙ АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР 1992
  • Гришин С.В.
  • Крутчинский С.Г.
  • Иванов Ю.И.
RU2089998C1
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР 1999
  • Иванов Ю.И.
RU2149499C1
Активный RC-фильтр 1990
  • Григорьев Василий Савельевич
  • Гришин Сергей Валентинович
  • Крутчинский Сергей Георгиевич
SU1788570A1

Реферат патента 1994 года ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ARC-ФИЛЬТР

Использование: в радиотехнике в частотно-селективных устройствах с управляемыми параметрами. Сущность изобретения: программируемый ARC-фильтр содержит пять операционных усилителя 1, 8, 11, 13 и 16, два управляемых интегратора и девять резисторов 4, 5, 6, 9, 14, 17, 18, 19 и 21, два цифроаналоговых преобразователя 7 и 12, три конденсатора 10, 15 и 20. Работа программируемого ARC-фильтра основана на том, что введение дополнительных цепей отрицательной обратной связи позволяет компенсировать инерционные свойства операционных усилителей, что расширяет диапазон рабочих частот. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 019 904 C1

1. ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ARC-ФИЛЬТР, содержащий последовательно соединенные первый операционный усилитель, первый и второй управляемый интегратор, первый управляемый интегратор содержит первый цифроаналоговый преобразователь, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с входом обратной связи первого цифроаналогового преобразователя и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом первого конденсатора и с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом первого конденсатора и является выходом первого управляемого интегратора, входом которого является вход первого цифроаналогового преобразователя, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами первого, второго и третьего резисторов, а его выход соединен с вторым выводом первого резистора, второй управляемый интегратор содержит второй цифроаналоговый преобразователь, первый выход которого соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход которого соединен с входом обратной связи второго цифроаналогового преобразователя и с первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго конденсатора и с инвертирующим входом пятого операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом второго конденсатора и является выходом второго регулируемого интегратора, входом которого является аналоговый вход второго цифроаналогового преобразователя, управляющие входы первого и второго цифроаналоговых преобразователей объединены и соединены с шиной управления, вторые выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей и неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединены с общей шиной, а также шестой резистор, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот и упрощения настройки, введены седьмой и восьмой резисторы, и третий конденсатор, при этом первый вывод шестого резистора соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с первыми выводами седьмого и восьмого резисторов, вторые выводы шестого и седьмого резисторов являются первым и вторым входами программируемого ARC-фильтра, а второй вывод восьмого резистора соединен с выходом первого регулируемого интегратора, выход второго регулируемого интегратора соединен с вторыми выводами третьего резистора и третьего конденсатора, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, инвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом пятого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя. 2. Программируемый ARC-фильтр по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности затухания полюса, введен девятый резистор, первый вывод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, а второй вывод соединен с общей шиной.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1994 года RU2019904C1

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ В ТРУБОПРОВОДАХ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 1997
  • Костин А.Г.
  • Куликов В.Н.
RU2132046C1
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. 1921
  • Богач Б.И.
SU3A1

RU 2 019 904 C1

Авторы

Иванов Ю.И.

Крутчинский С.Г.

Гришин С.В.

Даты

1994-09-15Публикация

1989-08-07Подача