Фильтр нижних частот Советский патент 1983 года по МПК H03H11/12 G05B5/01 

. Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении различных электроизмерительных приборов, а также в качестве корректирующего устройства в системах автоматическоFO управления и регулирования. Известен фильтр нижних частот (фН содержащий п-входовой пассивный интегратор, входы которого через соответствующие h ключей подключены к источнику входного сигнала, выходК входу активной усилительной схемы Положительным качеством такого ФНЧ является возможность изменения полосы заграждения в зависимости от свойств помехи Cl3. К недостаткам данного ФНЧ следурт отнести относительно высокую поCpfflJiHocTb, обусловленную влиянием параметров интегратора на точностные характеристики ФНЧ, низкий уровень подавления помехи в полосе заграждения и низкое быстродействие, что является следствием выбора большой постоянной времени интегратора. J Известен ФНЧ, содержащий последовательно соединенные первый, второй третий интеграторы и ключи, характеризующийся универсальностью, т.е. по воляющий при смене программ коммутаЦии ключей перестраивать реализуемые кусочно-полиноминальные весовые функ ЦИК (ВФ): простоеинтегри|х вание,. двухкратное и трехкратное интегрирование. Это дает возможность выбор ВФ в зависимости от свойств наложенной ка полезный сигнал помехи (12 . Недостатком устройства является низкая точность, объясняквдаяся тем, что нестаб11ль нрсть постоянных време ни последовательно включенных интегра торов влияет как на величину помехоподавления, так и на точность переда чи полезного сигнала. Кроме того, устройство имеет низкое быстродействие и относительно сложно для реализации. Наиболее близким к предлагаемому является ФНЧ, содержащий интегратор первый вход которого через устройст во выборки и хранения соединен с его выходом, а второй вход которого соединен с источником входного сигнала 31. Недостатком известного устройства является низкая точность, которая обуслаЬливается влиянием параметров резисторов интегратора на коэффициент передачи полезного сигнала, а также низкий уровень подавления помех в полосе задержания. Это видно из выражения для амплитудно-частот ной характеристики АЧХ ) устройства где - частота входного сигнала;Т - период дескретизации. йель изобретения - повышение точности передачи полезного сигнала и уровня подавления высших частот входного сигнала. Поставленная цель достигается тем, что в фильтр нижних частот, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к одному из выводов первого масштабного резистора и через интегрирующий конденсатор соединен с выходом операционного усилителя, и блок выборкихранения , вход которого подключен к выходу операционного усилителя, а выход является выходом фильтра нижних частот, введены шесть ключей и два масштабных резистора, причем другой вывод первого масштабного резистора через первый ключ соединен с источником входного сигнала, через второй ключ -- с выходом блока выборки-хранения, первые выводы второго и третьего масштабных резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, а вторые выводы через третий и четвертый ключи соответственно соединены с источником входного сигнала и через нятый и шестой ключи - с выходом блока выборки-хранения, причем сопротивления второго и третьего масштабных резисторов равны соответственно ft и ЗИ, где R - сопротивление первого масштабного резистора. На фиг.1 представлена функцирнашьная схема фильтра нижних частот jHa фиг.2 - диаграммы, поясняющие работу фильтра. Предлагаемое устройство 1фиг.1) содержит ключи 1-6, многовходовдй интегратор 7, построенный на резистог pax 8-10, операционном усилителе ОУ) 11, интегрирукхдем конденсаторе 12, и блок выборки и хранения (БВХ) 13. Входы ключей 1,3 и 5 соединены с источником входного сигнала, а входы ключей 2,4 и б - с выходом устройства. Выходы всех ключей подключены к соответствующим входам интегратора 7. Вход ОУ 11 через резистор 8 соединен с выходами ключей 1 и 2, через резистор 9 с выходами ключей 3 и 4 и через резистор 10 - с выходами ключей 5 и 6. Конденсатор 12 включен между входом и выходом ОУ 11. Выход интегратора 7 подключен к входу БВХ 13. На входы интегратора 7 поступают напряжения с выходов ключей 1,3,5 и 2, 4,6, соединенньк с источником входного сигнала иГвыходом фильтра соответственно. Выходное иапряисение интег:ратора, равное интегралу суммы задан|Ных напряжений периодически запоминается БВХ 13« Выборка производится замыканием ключа, входяш.его в соста БВХ на короткие промежутки времени с перио.дом Т. Номиналы резисторов 8-10 имеют значения R, ft и 3 соот ветственно. Фильтр может работать в одном из трех режимов. В первом режиме (фиг.2,а) замыкаются ключи 1 и 2, причем йамыкани ключа 2 производится на время Т поз же замыкания ключа 1. Это соответст вует реализации прямоугольной весов функции (ВФ) длительностью Т и модул АЧХ фильтр описывает выражением (1). Во втором режиме производится за мыкание ключей 1-4 соответственно в менным диаграммам, представленным на фиг.2,б, т.е. на интервале време ни от О до Т/2 замкнуты ключи 1 и 4, на интервале от Т/2 до Т ключи 1 и 3, на интервале от Т до ЗТ/2 - ключи 2 и 3. Таким образом, сформированная кусочно-постоянная ВФ вида 1-2-1 позволяет получить АЧХ устройства и виде Спектр сетевой помехи в зоне шир ной 2%, примыкающей частоте 50 Гц,. .подавлен в этом случае на 68 дБ. Кр вая АЧХ окрестности всех нечетных гармоник сетевого напряжения также уплощена и задача подавления помех от сети решается вполне удовлетворительно. Намного эффективнее производится подавление помехи в третьем режи ме, при котором производится замыка ние ключей по алгоритму, представленному на фиг.2,в, где на интервале времени от О до Т/2 замыкаются ключи 5 и 2, на интервале от Т/2 до ЗТ/2 - ключи 1 и б, на интервале от ЗТ/2- до 2Т снова замыкаются ключи 5 и 2 (реализация ВФ l-3-3-l|). Пр этом.АЧХ устройства описывается выр .жением что позволяет получить коэффициент подавления сетевой помехи s зоне 2% равной 102 дБ. Таким образом, предлагаемый ФНЧ обладает универсальностью и адаптивностью, которая заключается в возможности выбора работы устройства в зависимости от свойств помехи и выделенном времени подавления помех в полосе задержания. При этом койффициент подавления сетевой помехи в ре жимах П и Ш выше соответственно в 2 и 4 раза в логарифмической мере, чем у прототипа. Максимальное время интегрирования входного сигнала имее место в первом и третьем режимах работы и равно 2т. По сравнению с прототипом достигается также повышение 1 очности, так как коэффициент передачи для полезного сигнала в ФНЧ не зависит от параметров пассивных элементов схемы. Это достигается тем, что резисторы интегратора подключают ся поочередно то к источнику входного сигнала, то к выходу устройства на одно и то же время. Так, например, для третьего режима работы предлагаемого ФНЧ в установившемся состоянии можно записать т 0 RgC.jT где Rg , R-, соответственно значения резисторов 8,10 и конденсатора 12. Из (4) при условии, что V(t) const, получаем ). т.е , Аналогичным образом можно показать, что точность передачи полезного сигнала в режимах I и П также не зависит от параметров резисторов 8,9 и 10, а определяется лишь параметрами активных элементов схемы. Следует отметить , что при данном алгоритме работы устройства также достигается уменьшение влияния остаточных сопротивлений аналоговых ключей, вносимая погрешность определяется не значением сопротивлений ключей в замкнутом состоянии, а их разбросом, т.е, неравецу ством остаточных сопротивлений ключей 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6 соответственно. Предлагаемое устройство целесообразно использовать в качестве входного масштабирукнцего усилителя, обладающего фильтрующими свойствами, в вольтметре постоянного тока, аналого-цифровых преобразователях, работающих в условиях сильных индустриальных помех. Это достигается соответствующим выбором отношения времени подключения резисторов на входе устройства. Так, например, для получения коэффициента усиления равным 2 или 10 длительность времени замкнутого состояния ключа 2 в режиме I должна быть в 2 или 10 раз меньше, чем длительность времени замкнутого состояния ключа 1, равного Т. Аналогичным образом может быть выбран треоуемый коэффициент передачи для полезного сигнала в режиме П и Ш. При этом параметры данного усилителя не зависят от параметров пассивных элементов схемы.

;Таким образом, предлагаемое устройство позволяет получить более высокое поправление помехи в полосе заграждеHH i и более высокую точность передачи полезного сигнала, чем у прототипа

5

Применение предлагаемого устройст ва приводит к повышению быстродейстВИЯ, точности и подавлению сетевой помехи, так как для используемого ФНЧ характерно довольно большое время установления, а также ослабление входного измеряемого сигнала.

Кроме того, производительность .прибора повышается в 20 раз.

ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ, содержащий операционный усилитель, ин вертирующий вход которого подключен к одному из выводов первого масштабного резистора и через интегрирующий крнденсатор соединен с выходе .операционного усилителя,и блок выборкихранения, вход которого подключен к выходу операционного у си ли тел я, а выход является выходом фильтра нижних частот. отличающийся тем, что, с целью повышения точности передачи уровня полезного сигнала и уровня подавления верхних частот входного сигнала, в него введены шесть ключей и два масштабных резистора, причем другой вывод первого масштабного резистора через первый ключ соединен с источником входного сигнала, через второй ключ - с выходом блока выборки-хранения, первые выводы второго и третьего масштабных резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, а вторые выводы через третий и четвертый .ключи соответственно соединены с источником входного сигнала и через пятый § и шестой ключи - с выходом блока выборки-хранения, причем сопротивления второго и третьего масштабных резисторов равны соответственно R и 3 И , где R - сопротивление первого масштабного резистора. : ю :л :о м

HI

Ох

f

f

7Т в

т jr/г

сриг.1

Н1,3 R

m

pik

гп

о W

тГг т зт/2