ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ARC-ФИЛЬТР Российский патент 1995 года по МПК H03H11/12 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в селективных узлах радиоэлектронных устройств с управляемыми параметрами.

Цель изобретения расширение диапазона рабочих частот и повышение точности установки частоты полюса.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема фильтра.

Программируемый ARC-фильтр содержит первый, второй, третий и четвертый операционный усилители 1-4, первый и второй управляемые цифроаналоговые преобразователи 5 и 6, содержащие цифроаналоговый преобразователь 7 и дополнительный операционный усилитель 8, с первого по четырнадцатый резисторы 9-22, первый и второй конденсаторы 23 и 24.

Работает программируемый ARC-фильтр следующим образом.

Входной гармонический сигнал подается на один из входов устройства (Вх. 1, Вх.2 или Вх.3) и, проходя через программируемый ARC-фильтр, поступает на один из выходов (Вых.1 Вых.4). Программируемый ARC-фильтр характеризуется передаточной функцией второго порядка
F_д(P)=Mgl, (1) где p оператор дифференцирования;
d_p затухание полюса (d_p=1/Q_p,Q_p добротность полюса);
ω_p частота плюса;
a₁a₀ коэффициенты полинома числителя, зависящие от узла подачи и съема сигнала;
M_gl 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 ∞ ) определяются соотношениями
ω_p= ; K_o= (2)
Q_p=1 + + (3)
M_p M_вч M_п M_нч (4)
R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇ и R₈ сопротивления двенадцатого 20, первого 9, второго 10, тринадцатого 21, третьего 11, одиннадцатого 19, четвертого 12 и пятого 13 резисторов;
M_p коэффициент передачи со второго входа на выход режекторного фильтра;
M_ВЧ коэффициент передачи с первого входа на выход фильтра верхних частот на высокой частоте;
М_П коэффициент передачи со второго входа на выход полосового фильтра на частоте полюса,
М_НЧ коэффициент передачи с первого входа на выход фильтра нижних частот на низкой частоте;
Т₁, Т₂ эквивалентные постоянные времени T₁= τ₁/D₁, T₂= τ/D₂, τ₁=R₇C₁, τ= R₈C₂ постоянные времени RC-цепей,
С₁, С₂ емкости первого 23 и второго 24 конденсаторов,
D₁, D₂ коэффициенты передачи первого 5 и второго 6 УЦАП, изменяющиеся под действием двоичного кода частоты настройки фильтра, а также коэффициенты передачи с третьего входа на выходы первого 1, второго 2 и третьего 3 операционных усилителей (ОУ).

M_вч M_п ≈ , M_нч, (5) где R₁₀, R₁₁, R₁₂ сопротивления седьмого 15, восьмого 16 и десятого 18 резисторов соответственно.

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 ω_p и добротность полюса Q_p могут служить относительные изменения этих параметров идеализированного звена.

Для оценки влияния частотных свойств ОУ его передаточная функция аппроксимируется следующим соотношением:
M(p)=П/p, (6) где П=M ω_гр площадь усиления ОУ;
М коэффициент усиления ОУ на постоянном токе;
ω_гр граничная частота АЧХ ОУ по уровню 3 дБ.

Чувствительности основных параметров (частоты и затухания полюса) устройства к площадям операционных усилителей, полученные анализом схемы методом сигнальных графов, приведены в табл. 1.

При использовании современных ОУ обеспечивается высокая идентичность относительных изменений от площадей усиления ( θ_п), поэтому нестабильность основных параметров устройства при оптимальном соотношении между элементами для случая
П₁=П₂=П₃=П₄=П₅=П,
d_p<< 1 ω_pmax, T₁=T₂, K₀=1, α₁ α₂ α₃ α_o B=2 (7)
будут принимать следующие значения при К₁=3.

θ_п= θ_п, θ_п θ_п (8)
т. е. стабильность затухания в 3 Q раз выше, а стабильность частоты в 2 раза лучше.

В табл. 1 приняты следующие обозначения:
B=1 + коэффициент передачи первого ОУ1 с неинвертирующего входа на выход,
K x j коэффициент передачи j-й ненагруженной матрицы R-2R₁;
П₁, П₂, П₃, П₄, П₅, П₆ площади усиления первого ОУ1, дополнительного ОУ8, первого УЦАП 5, второго дополнительного ОУ2, ОУ второго УЦАП 6, третьего ОУ2, четвертого ОУ4.

K₁ коэффициент передачи с неинвертирующего входа третьего ОУ3 на выход первого ОУ1;
R₉ сопротивление шестого резистора 14.

α₀ α₁ α₂ α₃- логические переменные, принимающие значения 0 или 1 и характеризующие признак связи инвертирующего входа третьего ОУ3 с неинвертирующим входом первого ОУ1, инвертирующего входа ОУ первого УЦАП 5 с неинвертирующим входом третьего ОУ 3, инвертирующего входа первого ОУ1 с неинвертирующим входом ОУ8 первого УЦАП 5, неинвертирующего входа второго ОУ2 с инвертирующим входом ОУ8 первого УЦАП 5 соответственно.

С целью повышения точности установки частоты полюса дополнительно введен четырнадцатый резистор 22.

Чувствительности основных параметров устройства (после введения четырнадцатого резистора 22) к площадям операционных усилителей приведены в табл. 2, где приняты следующие обозначения:
K₂1 + коэффициент передачи со входа резистивного делителя, состоящего из четырнадцатого 22 и девятого 17 резисторов, на выход первого ОУ1;
R₁₃, R₁₄ сопротивления четырнадцатого 22 и девятого 17 резисторов соответственно;
R₁₂ сопротивление восьмого резистора 16 принято равным бесконечности.

При аналогичных условиях (7) и К₁=3, К₂=1 нестабильности основных параметров устройства
0, 0 (9)
В результате введения седьмого 15 и восьмого 16 резисторов и четвертого ОУ 4 с соответствующими связями достигается повышение стабильности основных параметров см. соотношение (8), а в результате введения десятого резистора 18 расширяются функциональные возможности организуется дополнительный неинвертирующий вход соотношение (5), который может использоваться, например, для построения на основе предлагаемого устройства многопетлевого фильтра высокого порядка, в результате введения резистивного делителя, состоящего из четырнадцатого 22 и девятого 17 резисторов, между инвертирующим входом первого ОУ1 и неинвертирующим входом четвертого ОУ4 повышается точность установки частоты полюса соотношение (9).

Использование: в селективных узлах радиоэлектронных устройств с управляемыми параметрами. Сущность изобретения: в программируемый ARC-фильтр, содержащий последовательно соединенные первый операционный усилитель, первый управляемый ЦАП, первый интегратор, второй управляемый ЦАП и второй интегратор, а также три резистора, причем интеграторы содержат два операционных усилителя, два конденсатора, два резистора, введены семь резисторов и четвертый усилитель, при этом управляемые ЦАП выполнены в виде последовательно соединенных ЦАП и дополнительно операционного усилителя. Кроме того, введен четырнадцатый резистор. Введенные блоки и связи между ними позволили расширить диапазон рабочих частот и повысить точность установки частоты полюса в предложенном программируемом ARC-фильтре. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. 2 табл.

1. ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ARC-ФИЛЬТР, содержащий последовательно соединенные первый операционный усилитель, первый управляемый цифроаналоговый преобразователь, первый интегратор, второй управляемый цифроаналоговый преобразователь и второй интегратор, выход первого операционного усилителя соединен с первым выводом первого резистора, а выходы первого и второго интеграторов соответственно с первыми выводами второго и третьего резисторов, вторые выводы третьего и первого резисторов соединены с инвертирующим входом первого операционного усилителя, первый и второй интеграторы содержат соответственно второй и третий операционные усилители, выходы которых соединены соответственно с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с первыми выводами четвертого и пятого резисторов и инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, вторые выводы четвертого и пятого резисторов являются соответственно входами первого и второго интеграторов, шестой резистор соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а управляющие входы первого и второго управляемых цифроаналоговых преобразователей объединены и являются входами управления программируемого ARC-фильтра, отличающийся тем, что, с цель расширения диапазона рабочих частот и упрощения настройки, в него введены седьмой тринадцатый резисторы и четвертый операционный усилитель, выход которого соединен с первыми выводами седьмого резистора и восьмого резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с вторыми выводами шестого, седьмого и десятого резисторов, а неинвертирующий с первым выводом девятого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, первый вывод шестого резистора соединен с вторым выводом второго конденсатора, второй вывод второго резистора с вторыми выводами двенадцатого и тринадцатого резисторов, а первый вывод двенадцатого резистора с вторым выводами третьего и одиннадцатого резисторов, первые выводы одиннадцатого, тринадцатого и десятого резисторов являются соответственно первым, вторым и третьим входами программируемого ARC-фильтра, причем первый и второй управляемые цифроаналоговые преобразователи выполнены в виде последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя и дополнительного операционного усилителя, выход которого является выходом управляемого цифроаналогового преобразователя, входом которого является аналоговый вход цифроаналогового преобразователя, второй токовый выход которого соединен с общей шиной, а первый токовый выход - с инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя, выход которого соединен с входом цепи обратной связи цифроаналогового преобразователя, инвертирующие входы дополнительных операционных усилителей первого и второго управляемых цифроаналоговых преобразователей соединены соответственно с неинвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, а инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом дополнительного операционного усилителя первого управляемого цифроаналогового преобразователя. 2. ARC-фильтр по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности установки частоты полюса, в него введен четырнадцатый резистор, первый вывод которого соединен с первым выводом девятого резистора, а второй вывод с вторым выводом восьмого резистора.