Настраиваемый активный фильтр Советский патент 1991 года по МПК H03J5/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для повышения точности селективных микровольтметров, анализаторов спектра и гармоник, фазометров, измерителей отношений переменных напряжений и преобразователей малых значений физических величин в электрический сигнал.

Цель изобретения - повышение стабильности полосы пропускания.

На чертеже представлена структурная электрическая схема настраиваемого активного фильтра.

Настраиваемый активный фильтр содержит избирательный четырехполюсник 1, выполненный в виде усилителя 2 и колебательного контура 3, цепь положительной обратной связи (ПОС) 4, образованную, например, входным резистором 5 первым и вторым резисторами 6 и 7 и первым ключом 8, Г-образный делитель 9 напряжения, образованный третьим и четвертым резисторами 10 и 11 и вторым ключом 12, дополнительный избирательный четырехполюсник 13, выполненный в виде усилителя 14 и колебательного контура 15, охваченный цепью ПОС 16, образованную, например, пятым и шестым резисторами 17 и 18 и третьим ключом 19, дополнительный Г-образный делитель 20 напряжения, образованный седьмым и восьмым резисторами 21 и 22 и четвертым ключом 23, генератор 24 низкой частоты, квадратурный фазовый детектор 25, образованный фазовращателем 26 на 90°, фазовым детектором 27 и амплитудным ограничителем 28, второй усилитель 29 низких частот, второй синхронный детектор 30, вторую интегрирующую цепь 31, амплитудный детектор 32, первый усилитель 33 низкой частоты, первый синхронный детектор 34 и первую интегрирующую цепь 25.

Настраиваемый активный фильтр работает следующим образом.

Высокочастотный сигнал избирательно усиливается избирательным четырехполюсником 1. проходит через Г-образный делитель 9 напряжения на вход избирательного четырехполюсника 13 (идентичного по своим параметрам первому) и после дополнительного усиления через дополнительный Г-образный делитель 20 напряжения проходит на выход. При этом резисторы 7, 21 и 10, 18 попарно периодически закорачиваются ключами 8, 23 и 12, 19, работающими в противофазе. Автоматическая работа ключей 8, 23 и 12, 19 обеспечивается противофазными сигналами генератора 24.

Первый ключ 8. закорачивая первый резистор 7, увеличивает глубину ПОС. Одновременно с этим размыкание второго ключа 12 включает третий резистор 10, что уменьшает коэффициент передачи Г-образ- ного делителя 9 напряжения. При таком по- ложении ключей коэффициент передачи цепи ПОС 4

1RI

31 R1 +R2

О)

где RI и R2 - сопротивления входного 5 и первого 6 резисторов соответственно, а коэффициент передачи Г-образного делителя 9 напряжения

г RS

#

R4 + R5

(2)

где R4 и RS - сопротивления третьего 10 и четвертого 11 резисторов соответственно. Коэффициент передачи избирательного четырехполюсника 1 при настроенном колебательном контуре 3 получим из уравнений ГО И.

KgRs(Ri+Рг)Ко

$1Ко («4 + Rs)R2 - Ri(Ko +1Л

Г

3)

где Ко - коэффициент усиления усилителя 2

избирательного четырехполюсника 1. Состояние ключей цепи ПОС 6 и дополнительного Г-обраэного делителя 20 напряжения

противофазно. Третий ключ 19. включая шестой резистор 18, уменьшает глубину ПОС, а закорачивание седьмого резистора 21 четвертым ключом 23 увеличивает коэффициент передачи дополнительного Г-образного делителя 20 напряжения, При этом положении ключей коэффициент передачи цепи ПОС 16

/Й2

R5

Rs + Re + R

(4)

где Re и R - сопротивление пятого 17 и шестого 18 резисторов соответственно, а коэффициент передачи дополнительного Г- 5Q образного делителя 20 напряжения

(5)

$2 1.

Коэффициент передачи дополнительного 55 избирательного четырехполюсника 13

кJ - вЪ КоКо (R5 + Re + R)

- Re + R - Re (Ко i)

(6)

При этом результирующий коэффициент передачи активного фильтра

Ki К1, К

K%R5(Ri +R;)(R5+R6 +R7) (R4 + Rs) R2 - Ri (Ko - ij Re + R - Ri

После изменения состояния ключей 8, 12, 19 и 23 (второй 12 и третий 19 ключи замкнуты, а первый 8 и четвертый 23 разомкнуты) коэффициент передачи цепи ПОС 4

(Т)

Rs (Ко - 1)

31

Ri

Ri +R2 +R3

где Ra - сопротивление второго резистора 7. Коэффициент передачи Г-образного делителя 9 напряжения

/#i 1

Коэффициент передачи избирательного четырехполюсника 1

кЧ #

Г1

Ко K0(Ri + R2 + R3)

1 -$1 Ко R2 + R3 - Ri (Ко - 1)

(10) Коэффициент передачи цепи ПОС 16

/& - Rs Rs + Re

(11)

Коэффициент передачи дополнительного Г-образного делителя 20 напряжения

д Кэ

fr-w+bгде Re и Rg - сопротивления седьмого 21 и восьмого 22 резисторов. Коэффициент передачи дополнительного избирательного четырехполюсника 13

Ко

R9(R5+R6)K0

1 -/& к 0 + R9) (Re - Rs (к° iW.

№

Результирующий коэффициент передачи активного фильтра во втором такте

к к | к5

cRii(R5+R6)(Ki + R; +Кз)

(Re + R9)R2 +Яэ -Ri (Ко - - Rs (Ко -

СИ)

При непрерывной работе генератора 24 состояние ключей 8, 12, 19 и 23 периодиче- изменяется, но коэффициент усиления активного фильтра не должен изменяться,

т пе8, 12, замкмкну4

(Т)

1)

(8)

стора дели9)

го че3)

- 1)

т.е. должно выполняться условие Ki K2 (15). Однако под действием дестабилизирующих факторов изменяется коэффициент усиления К0 и нарушается условие (15),

5 вследствие чего в выходном напряжении активного фильтра появляется амплитудная модуляция. Для исключения амплитудной модуляции служит цепь, состоящая из последовательно соединенных амплитудного

10 детектора 32, первого усилителя 33 низкой частоты, первого синхронного детектора 34 и первой интегрирующей цепи 35. Амплитудным детектором 32 из выходного сигнала выделяется низкочастотное напряжение,

15 пропорциональное разности коэффициентов передачи К1 и К1 . Это напряжение усиливается первым усилителем 33 низкой частоты и детектируется первым синхронным детектором 34. Выделенное напряже20 ние изменяет выходное напряжение первой интегрирующей цепи 35 до тех пор, пока коэффициент усиления усилителя 2 не принимает значения Ко, которое определяется исходя из условия (15J Т.е. учитывая (7), (14)

25

KJ Rs (Ri + R2) (Rs + Re + R)

(R4 + Rs) R2 - Ri ( -i)R2 +R3 -Rs(Ko-i)

30 KЈR9(Rs + R2l(Ri +R2 +Rs)

(R + Rg)R2 + R3 - R, (Kc ,)R: (K0 - i)f

W

35Учитывая, что избирательные четырехполюсники 1 и 13 идентичны, т.е. R2 Re, Rs: R, R4 RS, получаем

40

45

R5(Ri+R2)(Rs+R;+R3) (R4 +Rs)R2-Ri (Ki - 1) R2 + R3 T)J

R9 (R5 + R2) (Rj+R7+RVI

(Ri + Kg) R2 + R3 - ) R2 - Rf(K0 - i)j.

(IT)

При этом амплитудная модуляция в выходном сигнале фильтра полностью подавляется, а его результирующий коэффициент передачи принимает стабильное значение, задаваемое калибровочными резисторами, который можно определить подставив полученные из уравнения (17) значения К0 в

одно из уравнений (7), (14).

При настройке одного из избирательных четырехполюсников 1, 13 возникает фазовый сдвиг между их входным и выходным напряжениями. Учитывая идентичность четырехполюсников

(р (р2 arctg Q Я.

(18)

где Q - эквивалентная добротность избира- тельных четырехполюсников 1. 13.

Я - - расстройка, од, и ш - частота соответственно настройки цепи и частота усиливаемого напряжения. Под действием ПОС фазовый угол, вносимый расстроенными избирательными участками четырехполюсниками изменяется пропорционально глубине ПОС. При замкнутом первом 8 и разомкнутом третьем 19 ключах фазовый сдвиг будет

i Qfl-ttyRz

°ГС 1 Rz-VMltQ4fll-l V

QK (RS R(. RT)

Rb + R7-R5(K0-b + Q 7iz-O

(19) 25

Uqi S-cos(90°- ) S-sin (21) до значения Uqi S-cos(90°- Д/ ) S-slnA (22)

где S - чувствительность квадратурного фа- зового детектора 25. Переменная составляющая напряжения, выделенного квадратурным фазовым детектором 25, усиливается вторым усилителем 29 низкой частоты и выделяется вторым синхронным детектором 31. Полярность выделенного напряжения определяется фазой низкочастотного напряжения на выходе квадратурного фазового детектора 25 относительно фазы напряжения генератора 24. При изменении знака расстройки избирательных четырехполюсников 1 и 13 выходные напряжения квадратурного фазового детектора 25 принимают отрицательные значения:

Uq2 S-cos(90°+ )-S- (23)

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - повышение стабильности полосы пропускания. Настраиваемый активный фильтр содержит избирательный четырехполюсник 1, выполненный в виде усилителя 2 и колебательного контура 3, цепь положительной обратной связи (ПОС) 4, образованную, например, входным резистором 5, первым 6 и вторым 7 резисторами и первым ключом 8, Г-образный делитель 9 напряжения, образованный третьим 10 и четвертым 11 резисторами и вторым ключом 12, дополнительный избирательный че-&-№. тырехлолюсник 13, выполненный в виде усилителя 14 и колебательного контура 15, охваченный цепью ПОС 16, образованную, например, пятым 17 и шестым 18резистора- ми и третьим ключом 19, дополнительный Г-образный делитель 20 напряжения, образованный седьмым 21 и восьмым 29 резисторами и четвертым ключом 23, генератор 24 низкой частоты, квадратурный фазовый детектор 25, образованный фазовращателем 26 на 90°. фазовым детектором 27 и амплитудным ограничителем 28, второй усилитель 22 низкой частоты, второй синхронный детектор 30, вторую интегрирующую цепь 31, амплитудный детектор 32, первый усилитель 33 низкой частоты, первый синхронный дтек- тор 34 и первую интегрирующую цепь 35. Поставленная цель достигается благодаря наличию двух четырехполюсников 1 и 13, цепи ПОС 4 и 16 которых коммутируются противо- фазно, и двух делителей 9 и 20, сопротивления плеч которых коммутируются также противофазно. 1 ил. М со С о 00 со CJ чэ

а при противоположном положении ключей: 30

.

Q-UR,4fVR3) - агсЦ-

R4+fij-iMVb a ii2-0

Qfl (IVRfe)

tVMKcii7 17)

(20)

Скачки фазы Л и Дут тем интенсив- нее, чем больше расстройка избирательных четырехполюсников. При непрерывной работе генератора 24 состояние ключей 8 и 19 периодически изменяется, что вызывает появление фазовой модуляции. Для ее устранения применена цепь: квадратурный фазовый детектор 25, второй усилитель 29 низкой частоты, второй синхронный детектор 30. вторая интегрирующая цепь 31. В результате фазовой модуляции выходное напряжение квадратурного фазового детектора 25 периодически изменяется от значения

Uq2M S cos(90° + Л/) -S sinA , (24)

5

0

0

5

Фаза низкочастотного напряжения, усиленного вторым усилителем 29 низкой частоты, изменяется в этом случае на 180°, что изменяет полярность выделенного вторым синхронным детектором 30 напряжения на противоположную. Это напряжение соответствующей полярности фильтруется второй интегрирующей цепью 31, которая своим выходным напряжением управляет частотой настройки колебательного контура 3 избирательного четырехполюсника 1, например, с помощью варикапа. При работе настраиваемого активного фильтра происходит периодическая перестройка колебательного контура 3 избирательного четырехполюсника 1 с частотой переключения ключей 8 и 12. Это приводит к периодическому изменению добротности избирательного четырехполюсника 1 и, как следствие, к изменению полосы пропускания активного фильтра. При этом добротность избирательного четырехполюсника 1 изменяется от Qi Q(25) при настройке колебательного контура 2 в резонанс до Qi Q -ДО (26), где Д Q - изменение добротности контура 3 при расстройке. Это явление устраняется цепью из последовательно соединенных дополнительного избирательного четырехполюсника 23, охваченного цепью ПОС 16 и дополнительного Г-образ- ного делителя 20 напряжения с параметрами, идентичными параметрам избирательного четырехполюсника 1, охваченного цепью ПОС 4 и Г-образного делителя 9 напряжения. Состояния ключей 8 и 19, а также ключей 12 и 23 противофазны за счет подключения к различным выходам генератора 24. При таком включении ключей 8, 19, 12 и 23 добротность дополнительного избирательного четырехполюсника 13 будет

Q2 Q - AQi (27) и Q2 Q, (28)

а эквивалентная добротность активного фильтра при исходном положении ключей 8, 19, 12,23

Оэкв1 - Q1 С-21

Q(Q - Д Q).

а при противофазном положении ключей Оэкв Qi -Q2ll(Q- A Q)Q . (30)

Из уравнений (29), (30) видно, что величина эквивалентной добротности

СЬкв Оэкв const

постоянная и не зависит от состояния ключей 8, 19, 12 и 23. Поскольку полоса пропускания активного фипьтра и добротность связаны соотношением

Af 2lT USKB

где Д f - полоса пропускания активного фильтра; fo - частота обрабатываемого сигнала, то и полоса пропускания настраиваемого активного фильтра в процессе работы остается постоянной.

Формула изобретения

Настраиваемый активный фильтр, содержащий избирательный четырехполюсник, охваченный цепью положительной обратной связи с управляемой глубиной, последовательно соединенные амплитудный детектор, первый усилитель низкой частоты, первый синхронный детектор и первую интегрирующую цепи, выход кото

рой подключен к входу управления коэффициентом передачи избирательного четырехполюсника, последовательно соединенные квадратурный фазовый детектор, один вход

5 которого подключен к входу избирательного четырехполюсника, второй усилитель низкой частоты, второй синхронный детектор и вторую интегрирующую цепь, выход которой подключен к входу управления час10 тотой избирательного четырехполюсника, подключенный к выходу избирательного четырехполюсника Г-образный делитель напряжения, сопротивление продольного плеча которого управляется, а также генера15 тор низкой частоты, при этом вход управления цепи положительной обратной связи с управляемой глубиной и управляющий вход Г-образного делителя напряжения подключены к выходам противофазных сигна20 лов генератора низкой частоты, избирательный четырехполюсник выполнен в виде последовательно соединенных усилителя и колебательного контура, а входы управления коэффициентом передачи уси25 лителя и вход управления, частотой колебательного контура являются соответственно входами управления коэффициентом передачи и частигой избирательного четырехполюсника, отличающийся тем, что, с

30 целью повышения стабильности полосы пропускания, к отводу Г-образного делителя напряжения подключены последовательно соединенные дополнительный избирательный четырехполюсник, выпол35 ненный в виде последовательно соединенных усилитепл и колебательного контура и охваченный цепью положительной обратной связи с управляемой глубиной, и допол- нительный Г-образный делитель

40 напряжения, к отводу которого подключен вход амплитудного детектора и другой вход квадратурного фазового детектора, причем управляющий вход дополнительного Г-образного делителя напряжения соединен с

45 входом управления цепи положительной обратной связи избирательного четырехполюсника, вход управления цепи положительной обратной связи дополнительного избирательного четырехполюсника соеди50 нен с управляющим входом Г-образного делителя напряжения, а опорные входы первого и второго синхронных детекторов подключены к выходам противофазных сигналов генератора низкой частоты.

55