АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ Российский патент 2019 года по МПК H03H11/12 

Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники, и может использоваться в составе электромеханических систем балансировки роторов.

Известны электро-механические системы балансировочной техники [1] и вибрационной диагностики машин [2-4], в том числе роторных [5]. Устройства данного класса содержат датчики зибросигналов, как правило пьезоэлектрические, и согласующий электронный блок, включающий фильтры низких и высоких частот.

В качестве согласующего блока современных устройств вибродиагностики применяют различные комбинации фильтров низких и высоких частот, в том. числе зарядочувствительные усилители, обеспечивающие выделение спектра полезного сигнала до его обработки аналого-цифровым преобразователем [1-27].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является патент US 5.371.472, 1994, fig. 3. Он содержит (фиг. 1) первый 1 канал усиления со входом 2 и выходом 3, пьезоэлектрический датчик 4, первый вывод которого связан, со входом 2 первого канала усиления 1, первый 5, второй 6 и третий 7 операционные усилители, неинзертирующие входы которых связаны с общей шиной источников питания 8, первый резистор 9, включенный между инвертирующим входом и выходом первого 5 операционного усилителя, первый 10 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом. второго 6 операционного усилителя, второй 11 и третий 12 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом и инвертирующим входом второго 6 операционного усилителя, второй 13 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом третьего 7 операционного усилителя, четвертый 14 резистор, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом третьего 7 операционного усилителя, пятый резистор 15, первый вывод которого связан с выходом третьего 7 операционного усилителя, шестой резистор 16, первый вывод которого подключен к выходу первого 5 операционного усилителя, седьмой резистор 17, первый вывод которого соединен с общей шиной источника питания 8.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что при его реализации не обеспечивается высокое ослабление паразитных сигналов за пределами полосы частот полезного сигнала. Это отрицательно сказывается на метрологических характеристиках, например, электро-механических устройств для балансировки роторов [1, 5].

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в увеличении гарантированного затухания амплитудно-частотной характеристики активного RC-фильтра для обработки пьезоэлектрических сигналов датчиков за пределами полосы пропускания полезного сигнала.

Поставленная задача достигается тем, что в ARC-фильтре, содержащем первый 1 канал усиления со входом. 2 и выходом 3, пьезоэлектрический датчик. 4, первый вывод которого связан со входом 2 первого канала усиления 1, первый 5, второй 6 и третий 7 операционные усилители, неинвертирующие входы которых связаны с общей шиной источников питания 8, первый резистор 9, включенный между инвертирующим входом и выходом первого 5 операционного усилителя, первый 10 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом второго 6 операционного усилителя, второй 11 и третий 12 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом и инвертирующим входом второго 6 операционного усилителя, второй 13 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом третьего 7 операционного усилителя, четвертый 14 резистор, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом третьего 7 операционного усилителя, пятый резистор 15, первый вывод которого связан с выходом третьего 7 операционного усилителя, шестой резистор 16, первый вывод которого подключен к выходу первого 5 операционного усилителя, седьмой резистор 17, первый вывод которого соединен с общей шиной источника питания 8, предусмотрены новые элементы и связи - последовательно с первым 9 резистором включен первый дополнительный резистор 18, общий узел первого 9 резистора и первого 18 дополнительного резистора связан с общим узлом последовательно соединенных второго 11 и третьего 12 резисторов через первый 19 дополнительный конденсатор, вторые выводы четвертого 14, пятого 15 и шестого 16 резисторов соединены друг с другом и через второй 20 дополнительный конденсатор подключены к общей шине источников питания 8, вход 2 первого канала усиления 1 связан с инвертирующим входом первого 5 операционного усилителя через последовательно включенные второй дополнительный резистор 21 и третий дополнительный конденсатор 22, причем общий узел второго 21 дополнительного резистора и третьего 22 дополнительного конденсатора связан с выходом первого 5 операционного усилителя через четвертый 2 3 дополнительный конденсатор и подключен ко второму выводу седьмого 17 резистора, а выход третьего 7 операционного усилителя соединен с выходом 3 первого 1 канала усиления.

На чертеже фиг. 1 показана схема фильтра-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого ARC-фильтра в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого ARC-фильтра в соответствии с п. 3 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 4 показана схема заявляемого ARC-фильтра в соответствии с п. 4 формулы изобретения для случая, когда пьезоэлектрический датчик 4 выполнен по дифференциальной схеме.

На чертеже фиг. 5 приведена схема заявляемого ARC-фильтра с конкретным выполнением сумматора 2 7 по п. 5 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 6 представлена практическая реализация заявляемого ARC-фильтра фиг. 4 с электронными коммутаторами диапазона рабочих частот.

На чертеже фиг. 7 показаны графики АЧХ практической схемы ARC-фильтра фиг. 6 для первого диапазона рабочих частот полосы пропускания, полученные в результате компьютерного моделирования в среде MicroCap.

На чертеже фиг. 8 приведена АЧХ практической схемы ARC-фильтра фиг. 6 для второго диапазона рабочих частот полосы пропускания, полученная в результате компьютерного моделирования в среде MicroCap.

Активный RC-фильтр для обработки сигналов пьезоэлектрических датчиков фиг. 2 содержит первый 1 канал усиления со входом 2 и выходом 3, пьезоэлектрический датчик 4, первый вывод которого связан со входом 2 первого канала усиления 1, первый 5, второй 6 и третий 7 операционные усилители, неинвертирующие входы которых связаны с общей шиной источников питания 8, первый резистор 9, включенный между инвертирующим входом и выходом первого 5 операционного усилителя, первый 10 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом второго 6 операционного усилителя, второй 11 и третий 12 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом и инвертирующим входом второго 6 операционного усилителя, второй 13 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом третьего 7 операционного усилителя, четвертый 14 резистор, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом третьего 7 операционного усилителя, пятый резистор 15, первый вывод которого связан с выходом третьего 7 операционного усилителя, шестой резистор 16, первый вывод которого подключен к выходу первого 5 операционного усилителя, седьмой резистор 17, первый вывод которого соединен с общей шиной источника питания 8. Последовательно с первым 9 резистором включен первый дополнительный резистор 18, общий узел первого 9 резистора и первого 18 дополнительного резистора связан с общим узлом последовательно соединенных второго 11 и третьего 12 резисторов через первый 19 дополнительный конденсатор, вторые выводы четвертого 14, пятого 15 и шестого 16 резисторов соединены друг с другом и через второй 20 дополнительный конденсатор подключены к общей шине источников питания 8, вход 2 первого канала усиления 1 связан с инвертирующим, входом первого 5 операционного усилителя через последовательно включенные второй дополнительный резистор 21 и третий дополнительный конденсатор 22, причем общий узел второго 21 дополнительного резистора и третьего 22 дополнительного конденсатора связан, с выходом первого 5 операционного усилителя через четвертый 23 дополнительный конденсатор и подключен ко второму выводу седьмого 17 резистора, а выход третьего 7 операционного усилителя соединен с выходом 3 первого 1 канала усиления.

Кроме этого, на чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, второй вывод пьезоэлектрического датчика 4 подключен к общей шине источника питания 8.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, второй вывод пьезоэлектрического датчика 4 подключен ко входу 24 второго канала усиления 25, идентичного первому 1 каналу усиления, выход которого 26 противофазен выходу 3 первого 1 канала усиления.

На чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, выход 3 первого 1 канала усиления связан с первым входом дополнительного сумматора сигналов 27, выход которого 28 является недифференциальным выходом заявляемого устройства, а выход 26 второго канала усиления 2 5 связан со вторым входом дополнительного сумматора сигналов 27.

На чертеже фиг. 5, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, дополнительный сумматор сигналов 27 выполнен на основе мультидифференциального операционного усилителя 29 с двумя входными портами, причем инвертирующий вход первого порта соединен с выходом 3 первого 1 канала усиления, неинвертирующий вход первого порта, соединен с выходом 26 второго 25 канала усиления, неинвертирующий вход второго порта соединен с общей шиной источников питания 8, инвертирующий вход второго порта связан с выходом мультидифференциального операционного усилителя 29 через первый 30 вспомогательный резистор и подключен к общей шине источников питания 8 через второй 31 вспомогательный резистор.

Заявляемая схема ARC-фильтра {фиг. 4) применительно к задачам балансировки роторов была реализована на печатной плате по схеме, представленной на чертеже фиг. 6. Особенность практической схемы фиг. 6 - наличие цифровых коммутаторов диапазонов рабочих частот фильтров.

Результаты экспериментального исследования схемы фиг. 6 совпадающие с результатами ее компьютерного моделирования (фиг. 7, фиг. 8), показывают, что заявляемый ARC-фильтр обеспечивает высокое ослабление сигналов вне полосы пропускания, что позволяет улучшить метрологические характеристики злектро-механических систем балансировки роторов различного назначения.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известными схемотехническими решениями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент SU 1727011, 1975 г.

2. Патент RU 97101013, 1997 г.

3. Патент RU 2125716, 1994 г.

4. Патент RU 2125248, 1997 г.

5. Патент SU 2515102, 2 014 г.

6. Патент SU 1388978, 198 5 г.

7. Патент SU 1171979, 1982 г.

8. Патент SU 1103348, 1970 г.

9. Патент RU 2219651, 2002 г.

10. Патент SU 1806442, 1989 г.

11. Заявка на патент RU 2002103698, 2010 г.

12. Патент SU 7656664, 1988 г.

13. Патент SU 1561793, 1994 г.

14. Патент US 3571741, 1967 г.

15. Патент US 6702755, fig. 2, 2001 г.

16. Патент US 5371472, 1994 г.

17. Патент US 2010/0271148, 2007 г.

18. Патент US 4543536, 1985 г.

19. Патент US 4085349, 1978 г.

20. Патент US 3787776, 197 4 г.

21. Патент ЕР 0091160, 1983 г.

22. Патент SU 1293627, 1985 г.

23. Патент RU 2391770, 2008 г.

24. Патент RU 2260245, 2005 г.

25. Патент RU 25092916, 2012 г.

26. Патент RU 2370882, 2008 г.

27. Патент SU 1727011, 197 5 г.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в составе электромеханических систем балансировки роторов. Технический результат заключается в увеличении гарантированного затухания амплитудно-частотной характеристики активного RC-фильтра для обработки пьезоэлектрических сигналов датчиков за пределами полосы пропускания полезного сигнала. Активный RC-фильтр содержит канал усиления, пьезоэлектрический датчик (4), резисторы, операционные усилители, конденсаторы, обеспечивающие обработку пьезоэлектрических сигналов датчиков за пределами полосы пропускания полезного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Активный RC-фильтр для обработки сигналов пьезоэлектрических датчиков, содержащий первый (1) канал усиления с входом (2) и выходом (3), пьезоэлектрический датчик (4), первый вывод которого связан с входом (2) первого канала усиления (1), первый (5), второй (6) и третий (7) операционные усилители, неинвертирующие входы которых связаны с общей шиной источников питания (8), первый резистор (9), включенный между инвертирующим входом и выходом первого (5) операционного усилителя, первый (10) конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом второго (6) операционного усилителя, второй (11) и третий (12) последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом и инвертирующим входом второго (б) операционного усилителя, второй (13) конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом третьего (7) операционного усилителя, четвертый (14) резистор, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом третьего (7) операционного усилителя, пятый резистор (15), первый вывод которого связан с выходом третьего (7) операционного усилителя, шестой резистор (16), первый вывод которого подключен к выходу первого (5) операционного усилителя, седьмой резистор (17), первый вывод которого соединен с общей шиной источника питания (8), отличающийся тем, что связь между инвертирующим входом и выходом первого (5) операционного усилителя выполнена в виде последовательно соединенных первого (9) и первого дополнительного (18) резисторов, а их общий узел связан с общим узлом последовательно соединенных второго (11) и третьего (12) резисторов через первый (19) дополнительный конденсатор, вторые выводы четвертого (14), пятого (15) и шестого (16) резисторов соединены друг с другом и через второй (20) дополнительный конденсатор подключены к общей шине источников питания (8), вход (2) первого канала усиления (1) связан с инвертирующим входом первого (5) операционного усилителя через последовательно включенные второй дополнительный резистор (21) и третий дополнительный конденсатор (22), причем общий узел второго (21) дополнительного резистора и третьего (22) дополнительного конденсатора связан с выходом первого (5) операционного усилителя через четвертый (23) дополнительный конденсатор и подключен ко второму выводу седьмого (17) резистора, а выход третьего (7) операционного усилителя соединен с выходом (3) первого (1) канала усиления.

2. Активный RC-фильтр по п. 1, отличающийся тем, что второй вывод пьезоэлектрического датчика (4) подключен к общей шине источника питания (8).