РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР ЧЕТВЕРТОГО ПОРЯДКА Российский патент 2021 года по МПК H03H11/12 

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 первым 7 и вторым 8 выходами, причем первый 5 вход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого 9 операционного усилителя через первый 10 резистор, инвертирующий вход первого 9 операционного усилителя связан с его выходом через второй 11 резистор, инвертирующий вход первого 9 операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго 12 операционного усилителя, инвертирующий вход второго 12 операционного усилителя связан с его выходом через третий 13 резистор, выход второго 12 операционного усилителя соединён с первым 7 выходом входного режекторного фильтра второго порядка, выход первого 9 операционного усилителя подключен ко второму 8 выходу входного режекторного фильтра второго порядка и связан с неинвертирующим входом второго 12 операционного усилителя через первый 14 конденсатор, неинвертирующий вход первого 9 операционного усилителя согласован с общей шиной источников питания 15, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка соединён с инвертирующим входом третьего 16 операционного усилителя через последовательно соединённые четвертый 17 и пятый 18 резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источников питания 15 через шестой 19 резистор, выход третьего 16 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 20 операционного усилителя через второй 21 конденсатор, неинвертирующий вход третьего 16 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 12 операционного усилителя и связан с выходом четвертого 20 операционного усилителя через седьмой 22 резистор, инвертирующий вход четвертого 20 операционного усилителя соединён с его выходом через восьмой 23 резистор, выход третьего 16 операционного усилителя подключен к объединённым инвертирующим входам третьего 16 и четвертого 20 операционных усилителей через девятый 24 резистор, выход первого 9 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 20 операционного усилителя через десятый 25 резистор, первый 7 выход входного режекторного фильтра второго порядка связан с общим узлом четвертого 17 и пятого 18 резисторов через одиннадцатый 26 резистор, источник сигнала 2 и нагрузка 4 согласованы с общей шиной источников питания 15.

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

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 инвертирующего усилителя 32 на основе дополнительного операционного усилителя 33 по п.2 формулы изобретения.

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

На чертеже фиг. 6 показан вариант использования цифровых потенциометров в заявляемом режекторном фильтре для регулировки полосы задерживания.

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

Рассмотрим работу схемы РФ фиг. 2.

Передаточная функция схемы РФ четвертого порядка описывается выражением

Характер изменения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных 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 четырёх элементов, например, сопротивлений четырёх резисторов или ёмкостей четырёх 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 РФ второго порядка, имеющих равные значения частот полюсов , затуханий и масштабных коэффициентов передач

За счет введения обратной связи с дополнительного выхода второго звена c передаточной функцией полосового фильтра

через дополнительный инвертирующий усилитель на второй вход первого звена РФ четвертого порядка (фиг. 2) реализуется передаточная функция (1), коэффициенты которой определяются соотношениями

Благодаря такой зависимости коэффициентов передаточной функции фильтра от параметров отдельных звеньев и коэффициента передачи дополнительного инвертирующего усилителя в РФ четвёртого порядка возможна независимая регулировка неравномерности АЧХ в полосе пропускания и масштабного коэффициента передачи с помощью изменения коэффициента передачи по цепи обратной связи , при этом полоса заграждения фильтра зависит от выбранного значения затуханий в звеньях.

Для упрощения соотношений (4) 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 заявляемого РФ может осуществляться с помощью умножающих цифро-аналоговые преобразователей (ЦАП) в качестве управляемых делителей сигналов. В связи с относительно высокой стоимостью ЦАП при стандартных требованиях по точности (не хуже ±0.1%), их применение не всегда оправдано. К управляемым компонентам также относятся цифровые потенциометры (ЦП). В настоящее время их номенклатура постоянно расширяется, например, фирма Analog Devices выпускает несколько десятков типов ЦП [23]. В примерах перестраиваемых фильтров [24] показано важное преимущество ЦП по сравнению с ЦАП: они могут применяться как управляемые делители, так и как управляемые резисторы [5].

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., Селиванов Л.М., Ухов А.А. Режекторный фильтр с настраиваемыми параметрами, Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. 2017. № 5. С. 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 430484, 1974 г.

16. Патент SU 1739479, 1992 г.

17. Патент SU 1056431, 1983 г.

18. Патент SU 375030, 1973 г.

19. Патент SU 374703, 1973 г.

20. Патент CN103314481, 2013 г.

21. Патент CN203912166, 2014 г.

22. Патент US7340237, 2007 г.

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

24. Denisenko, D. Yu. Digital Potentiometers in the Tasks of Settings Precision Analog RC-filters Taking into Account the Tolerances for Passive Components / D. Yu. Denisenko, Y. I. Ivanov, N. N. Prokopenko, N. A. Dmitrienko // 2017 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Erlagol, 2017. - Pp. 205-210, doi: 10.1109/EDM.2017.7981741.

Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники и может использоваться, например, для осуществления фильтрации помех в системах радиомониторинга в коротковолновом диапазоне. Технический результат: создание режекторного фильтра четвертого порядка с возможностью регулировки полосы задерживания. Для этого предложен режекторный фильтр четвертого порядка, в отличие от прототипа в схему которого введен выходной режекторный фильтр (27), идентичный входному режекторному фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый (28) (in.1*) и второй (29) (in.2*) входы, а также первый (30) (out.1*) и второй (31) (out.2*) выходы, дополнительный инвертирующий усилитель (32). 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

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

2. Режекторный фильтр четвертого порядка по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный инвертирующий усилитель (32) выполнен на основе дополнительного операционного усилителя (33), первого (34) и второго (35) вспомогательных резисторов, причём вход дополнительного инвертирующего усилителя (32) соединён с инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя (33) через первый (34) вспомогательный резистор и подключен к его выходу через второй (35) вспомогательный резистор, выход дополнительного операционного усилителя (33) является выходом дополнительного инвертирующего усилителя (32), неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя (33) согласован с общей шиной источников питания (15).