Нелинейный фильтр нижних частот Советский патент 1986 года по МПК H03H11/00 

.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для ослабления резонансных явлений в замкнутых контурах систем автоматического управления.

Цель изобретения - скачкообразно ослабление частот за пределами полосы пропускания при малых фазовых сдвигах в заданном диапазоне частот На фиг. 1 приведена электрическая функциональная схема предложенного нелинейного фильтра нижних частот, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу нелинейного фильтра нижних частот.

Нелинейный фильтр нижних частот содержит усилитель 1, интегрирукщую RC-цепь 2, состоящую из первого резистора 3 и конденсатора 4, второй 5 и третий 6 резисторы, управляемый ключ 7, первую 8 и вторую 9 дифференцирунщие Rc-цепи, пороговый блок 10, сумматор 11.

Нелинейньй фильтр нижних частот работает следующим образом.

Физические процессы в нелинейном фильтре нижних частот рассмотри в следующих трех режимах его работы

1. Частота колебаний входного сигнала (Qj) ниже граничной частоты

колебаний (м„) в заданной пЬлосе пропускания - UJ

2.Частота колебаний входного сигнала (б),) вьше граничной частоты колебаний (й)) в заданной полосе пропускания - ы; (

3.В переходный процесс при воздействии на вход фильтра скачка напряжения постоянного уровня («gx Е consty),

1. Частоты входных колебаний со; «. cOfp (фиг. 2б).

Примем начальную фазу входного гармонического сигнала Ч; О, а уровень постоянной составляющей А, 0. Тогда с учетом принятого допущения гармоническое колебание входного сигнала принимает вид I .sincot, ()

где А - амплитуда гармонического

колебания.

При воздействии входного clirHana на интегрирунщую RC-цепь 2 напряжение на конденсаторе 4 развивается с запаздыванием во времени &i; (фиг. 26), определяемом выражением

t.

9

где ср - фаза заряда конденсатора 4 от входного напряжения гармонического колебания, определяемая выражением (1). Напряжение на выходе усилителя 1

е. определяется вьфажением (фиг. 26).

e, A Sin(cot-Zcfc).

(3)

На участке времени л-Ь (е 0) напряжение на выходе усилителя 1 развивается противофазно входному (фиг. 2а), причем текущее значение выходного напряжения усилителя 1 определяется выражением

. ч. ,)

в частном случае, при Rj где R, и Rg - сопротивления второго 5 и третьего 6 резисторов соответственно.

-Agincot .

4..t°

Напряжения e и е (фиг. 2а)

через дифференцирующие Rc -цепи 8 и 9 поступают на входы порогового блока 10, который осуществляет функцию сравнения абсолютного значения разности текущих значений напряжения входных сигналов с задан- ным порогом отсечки -1ба| (фиг. 2а).

Максимальное значение абсолютной разности напряженийе и во достигает в момент времени i At

и

определяется выражением (фиг. 2а) ;/ue/ o,,2A3inq.

(5)

40

45

При достижении времени i ut начинается заряд конденсатора 4 в соответствии с выражением (фиг. 2а)

бс Л COS Срс Sin («t - Cfc) , л if

.а Через период времени i 2 4t (фиг. 2а) текущее значение напряже- гая на вькоде усилителя 1 становится ; равным О и в этот момент значение CQ абсолютной разности напряжений е, и eg определяется выражением /ле/ Абш2с сЬ С)

/ле/ /де/„,д .

Зона, заключенная между текущими 55 значениями напряжений е, и в, в моменты времени -t fci - 2 ut , в переходный период обозначена jia фиг. 2а символом Зона 1.

Все остальные текущие значения абсолютной разности напряжений е и вц до момента времени численно меньше значений, определяемых выражениями (5) и (7).

Если максимальное значение абсолютной разности напряжений двух сигнал ов /л е/ , то срабатьша- ние порогового блока 10 не происходит и дальнейшие процессы на выходе усилителя 1 определяются выражением (3), из которого следует, что амплитуда напряжения бо (при RS Rg ) всегда равна амплитуде входного сигнала независимо от частоты колебаний.

Напряжение на выходе .нелинейного фильтра нижних частот определяется вьфажением (фиг, 2б)

-e,.6in(cot-q j;) )C,6 nQttK2A6in{ci)i-2q

(t)

I при

л /

с.,,Т,

где , oj - постоянные времени диффер е нцир ующих RC-цепей 8, 9, Т - период гармонического колебания входного сигнала,

К,(kg- масштабные коэффициенты передачи по каждому входу сумматора 11.

При значениях К, z 0 выражение (8) преобразуется к виду

. : евых 5 с5 ()°ес .

(9)

Из выражения (9) следует, что напряжение на выходе нелинейного фильтра нижних частот при принятых условиях повторяет форму напряжения на конденсаторе 4.

На фиг. 2а следует вьщелить Зону 2, которая определяет собой максимальную разность TeKirapix значений напряжений е и e, в установившемся режиме работь1 нелинейного фильтра нижних частот. Она заключена в интервале времени t Т/2 т т Т/2 +2 Hi (фиг. 2а).

Таким образом, при значениях /ле/ А5«п 2(1ео1 на выходе нелинейного фильтра нижних частот имеет место гармоническое колебание

218449

полностью повторяющее изменение напряжения на конденсаторе 4 интегри- рующей RC -цепи 2.

2. Частоты входных колебаний 5 а; гр (фиг. 26) .

Предположим, что в момент времени ipp частота входного гармонического колебания (и;) стала выше граничной частоты ( )

10 Тогда .в связи с тем, что напряжение на конденсаторе 4 отстает от изменений входного сигнала на угол - Cpj J, выходное напряжение усилителя 1 начинает изменяться в противо15 фазе с входным. Если за время bt

разность текущих значений напряже- НИИ бцх и вд превышает значение

порога отсечки , то пороговый блок 10 срабатывает и отключает

20 прохождение входного сигнала на

вход интегрирующей RC -цепи 2. С этого момента форма выходного напряжения определяется выражением (4). Выходное напряжение нелинейного

25 фильтра (нижних частот) равно (фиг. 26).

SBb,K 0|SA-2sm(coi-90°)coeqO° 08 ,

«

Иными словами, на выходе нелинейного фильтра нижних частот наблюдается полное отсутствие гармонических . колебаний..

-Через период времени, меньший Т/2, разность текущих значений е

35 и е,д становится меньше заданного порога отсечки -/&о/ .

Пороговьй блок 10 замыкает управляемый ключ 7, но по причине заряда конденсатора 4 с задержкой форма

напряжения на выходе операционного усилителя 1 не изменяется и продолжает изменяться в противофазе с входным вплоть до значения текущего уровня в 0.

5 Пройдя .через нулевое значение напряжения, е меняет фазу на 180°, а напряжение на выходе усилителя 1 до момента появления напряжения на конденсаторе 4 противофазно ему.

50 Если разность текущих значений е . и вд опять превьш1ает значение порога отсечки процесс на выходе усилителя 1 противофа- в течение следующего полу55 периода.

Далее процесс повторяется. В этом режиме работы нелинейного фильтра нижних частот следует выделить Зону 3 (фиг. 2а), являющуюся зоной оценки текущей частоты входно го сигнала, которая в установившемся режиме повторяется через каждые полпериода.

Переходный процесс при воздействии на вход нелинейного фильтра нижних частот скачка напряжения постояного уровня (е g Е Const ) .

В момент включения eg ив свя- зи с задержкой заряда конденсатора 4 .на выходе усилителя 1 также скачком формируется напряжение по модулю равное Е, но с обратным знаком.

Скачки напряжений е g о пос- тупают на входы дифференцирующих RC-цепей 9 и 8 с постоянной .време/ л НИ C-j И 6j .

Напряжения на выходе дифферен- цирукяцих RC -цепей 9 и 8 опреде- ляются выражением

-t/tj f/ «o8 Sbxe

е -е F. 09 0 CBX® --te

Значение абсолютной разности напряжений на входах порогового блока 10 определяется выражением

,д-е,,/.-Е( при

t j, .

U4)

Если это значение /&е/- в момент времени i О превышает значение порога отсечки -/fo/, то порого- вый блок 10 срабатывает и размыкает управляемый ключ 7.

Через время i текущее значение разности входных напряжений порогового блока 10 становится меньше значения и пороговьй блок 10 вновь замыкает управлемый ключ 7. С этого момента начинается заряд конденсатора 4 в соответствии с известным выражением

е, е,(). ,2

Напряжение е изменяется с удвоенной скоростью в соответствии с выражением

ео-е,,() Е(). Пз) Выходное напряжение фильтра е д определяется суммой двух напряжений вех и вд в соответствии с вы- ражением

e,„,eg,k,.(1-e ) e,.

. -

Из вьфажения (14) следует, что выходное напряжение нелинейного фильтра нижних частот полностью определяется процессом заряда конденсатора 4.

0

5

0

5

0

5

0 5

0

s

(345)Через время -tj (,3-тЬ; 04 напряжение на выходе нелинейного фильтра нижних частот равно е а; Е

Общее время окончания переходного процесса в нелинейном фильтре нижних частот будет определяться выражением

, + t.. Формула изобретения

Нелинейный фильтр нижних частот, содержащий последовательно соединенные управляемьш ключ, первьй резистор и конденсатор, усилитель и последовательно соединенные второй и третий резисторы, причем другой вывод второго резистора является входом нелинейного фильтра нижних частот , а другой вывод третьего резистора подключен к выходу усилителя, отличающийся тe что, с целью скачкообразного ослабления частот за пределами полосы пропускания при малых фазовых сдвигах в заданном диапазоне частот, в него введены-первая и вторая дифференци- руинцие RC -цепи, сумматор и порого- вьй блок, выход которого подключен к управляющему входу ключа, входы первой и второй дифференцирующих RC -цепей подключены к выходу усилителя и входу управляемого ключа соответственно, а их выходы подключены к первому и второму входам порогового блока соответственно, при этом точка соединения первого резистора с конденсатором, другой вывод которого соединен с общей шиной, подключена к неинвертирующего нходу усилителя, а точка соединения второго и третьего резисторов подключена к инвертирующему входу усилителя, причем выход усилителя подключен к первому входу сумматора, а вход управляемого ключа подключен к входу нелинейного фильтра нижних частот и второму входу сумматора, выход которого является выходом нелинейного фильтра нижних частот.

ff ft

0

Лг SoHcfS I fo

Редактор Н.Швьщкая

Составитель А.Меньшикова

Техред А.Бабинец . Корректор М.Демчик

1137/59Тираж 818 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент г.Ужгород, ул.Проектная, 4 .

фаг: Z

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для ослабления резонансных явлений в зф 1хнутых контурах систем автоматического управления. Цель изобретения - скачкообразное ослабление частот за пределами полосы пропускания при малых фазовых сдвигах в заданном диапазоне частот. Фильтр содержит усилитель 1, интегрирующую КС -цепь 2, состоящую из первого резистора 3 и конденсатора 4, второй и третий резисторы 5, 6, управляемый ключ 7, первую и вторую дифференцирующие RC -цепи 8, 9, пороговый, блок 10, сумматор 11. Цель изобретения достигается введением первой и второй дифференци- руюощх RC-цепей 8, 9, сумматора 11 и порогового блока 10. 2 ил. . (Л S 00 4 ;о