Нелинейный фильтр нижних частот Советский патент 1982 года по МПК H03H11/00 

1

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в системах автоматического регулирования.

Известны фильтры нижних частот для подавления высокочастотных составляющих сигнала и помех в системах автоматического регулирования, содержащие активные элементы и инерционные звенья flj.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является нелинейный фильтр нижних частот, содержащий последовательно соединенные первый резистор, входной усилитель . и блок ограничения скорости измерения сигнала, выполненный на последовательно соединенных втором резисторе и инвертирующем усилителе, в цепи обратной связи которого включен конденсатор, выход блока ограничения скЬрости изменения сигнала через резистивную цепь обратной связи соединен с входом входного усилителя 2.

Однако известные фильтры нижних частот имеют значительный фазовый сдвиг на высоких частотах.

Цель изобретения - уменьшение фазового сдвига на высоких частотах.

Цель достигается тем, что а нелинейный фильтр нижних частот, содержащий последовательно соединенные первый резистор, входной усилитель и блок ограничения скорости изменения сигнала, выполненный на последовательно соединенных втором резисторе и инвертирующем усилителе, в цепи обратной связи которого включен конденсатор, выход блока ограничения скорости изменения сигнала через резистивную цепь обратной связи соединен с входом входного усилителя, введен блок управляемого ограничения, входы которого подключены к выходам входного усилителя и блока ограничения скорости изменения сигнала соответственно, а выход подключен ко входу инвертирующего усилителя.

Кроме того, в него введены ключ, включенный между выходом входного усилителя и входом блока ограничения скорости изменения сигнала, и последовательно соединенные блок определения знака производной входного сигнала и блок сравнения знака, другой вход которого подключен к выходу блока ограничения скорости изменения сигнала, а выход - к управляющему входу ключа, причем вход блока определения знака производной входного сигнала подключен ко входу устройства.

На чертеже приведена структурная электрическая схема предложенного устройства.

Нелинейный фильтр содержит первый резистор 1, входной усилитель 2,блок 3 ограничения скорости изменения сигнала, состоящий из второго резистора , инвертирующего усилителя 5 и конденсатора 6, цепь 7 обратной связи, блок 8 управляемого ограничения,ключ 9, блок 10 определения знака производной входного сигнала и блок 11 сравнения знака.

Устройство работает следующим образом.

Сначала рассмотрим работу устройства, содержащего элементы 1 ... 8. Темп изменения напряжения на выходе инвертирующего усилителя,5 пропорционален выходному напряжению входного усилителя 2 и обратно пропорционален произведению сопротивления резистора на емкость конденсатора 6. Величина выходного напряжения входного усилителя 2 ограничена (естественное ограничение, соответствующее насыщению усилителя). Поэтому ограничен и темп изменения напряжения на выходе инвертирующего усилителя 5- При малых темпах изменения входного сигнала и достаточно больиюм коэффициенте усиления входного усилителя 2 за счет действия резистивной цепи 7 обратной связи на выходе входного усилителя 2 устанавливается такое напряжение, что выходное напряжение нелинейного фильтра точно повторяет входное по абсолютной величине (предполагается, что сопротивления резисторов 1 и 7 равны) . Сдвиг фазы составляет 180. Этот режим соответствует нижним частотам, которые нелинейный фильтр пропускает без ослабления. В этом режиме выходное напряжение входного усилителя 2 не попадает в.область ограничения.

При больших частотах выходное напряжение входного усилителя 2 достигает ограничения, и напряжение на выходе инвертирующего усилителя 5 изменяется с постоянной скоростью, причем эта скорость не зависит от

скорости нарастания входного сигнала. В этом случае, на верхних частотах, амплитуда выходного сигнала меньше, чем амплитуда входного си(- нала, а выходной сигнал имеет треугольную форму. Входной сигнал может значительно превышать выходной, причем уменьшение выходного сигнала начнется лишь в тот момент, когда напряжение входного сигнала, убывая,

станет по абсолютной величине меньше, чем выходное напряжение инвертирующего усилителя 5. В этот момент напряжение на выходе входного усилителя 2 изменит знак. Одновременно в

работу вступает блок 8 управляемого ограничения, который увеличивает максимальный ток разряда конденсатора 6, определяемый до этого момента ограничивающим резистором 4 так как

он включается параллельно этому резистору. Благодаря включению блока В управляемого ограничения, напряжение на выходе неинвертирующего усилителя 5 в дальнейшем уменьшается,

точно повторяя входное напряжение. В момент изменения полярности входного напряжения повторяющее его выходное напряжение также изменяет знак, и блок 8 управляемого ограничения выключается из работы. Увеличение темпа спада выходного напряжения, по сравнению с темпом его нарастания, позволяет снизить сдвиг фазы на высоких частотах. В предлагаемом

нелинейном фильтре максимальный сдвиг фазы по первой гармонике не превышает 26.

С целью увеличения затухания на высоких частотах и дальнейшего уменьшения фазового сдвига, вносимого фильтром на этих частотах, и введены звенья 9, 10 и 11. При их включении устройство работает следующим образом.

При нарастании входного сигнала знак производной входного сигнала совпадает со знаком выходного напря/жения, и блок 11 сравнения знака обеспечивает замыкание ключа 9Блок 8 управляемого ограничения в работе не участвует, и напряжение на выходе нарастает с темпом, определяемым напряжением насыщения вход ного усилителя 2 и величинами резис тора k и конденсатора 6. В момент изменения знака производной входного сигнала блок 11 размыкает ключ 9 и изменение напряжения на выходе не линейного фильтра прекращается. Ког да входное напряжение снизится до в личины, сохраняющейся на выходе, в работу вступает блок 8 управляемого ограничения, и напряжение на выходе нелинейного фильтра убывает, повторяя входное напряжение, независимо от состояния ключа 9. Введение в схему новых элементов обеспечивает более эффективное подавление высоких частот и дальнейшее уменьшение сдвига фазы на этих частотах. Максимальный сдвиг фазы, вносимый фильтром, не превышает 18 Введение в нелинейный фильтр бло ка 8 управляемого ограничения позволяет снизить сдвиг фазы на высоких частотах, а введение блока 10 определения знака производной входного сигнала, блока 11 сравнения знаков и ключа 9 обеспечивает более эффективное подавление высоких частот при дальнейшем уменьшении фазового сдвига на этих частотах. Уменьшение сдвига на высоких частотах позволяет включать предлагаемый нелинейный фильтр в контуры регу лирования для улучшения частотных свойств регуляторов, например, для ослабления резонансных явлений в сис темах. Формула изобретения 1. Нелинейный фильтр нижних часТОТ, содержащий последовательно сое 726 диненные первый резистор, входной усилитель и ограничения скорости изменения сигнала, выполненный на последовательно Ьрединенных втором резисторе и инвертирующем усилителе, в цепи обратной связи которого включен конденсатор, выход блока ограничения скорости изменения сигнала через резистивную цепь обратной связи соединен с входом входного усилителя, отличающийся тем, что,, с целью уменьшения фазового сдвига на высоких частотах, в него введен блок управляемого ограничения, входы которого подключены к выходам входного усилителя и блока ограничения скорости изменения сигнала соответственно, а выход подключен ко входу инвертирующего усилителя. 2. Фильтр по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью увеличения ослабления на высоких частотах и дополнительного уменьшения фазового сдвига, в него введены ключ, включенный между выходом входного усилителя и входом блока ограничения скорости изменения сигнала, и Последовательно соединенные блок определения знака производной входного сигнала и блок сравнения знака, другой вход которого подключен к выходу блока ограничения скорости изменения сигнала, а выход - к управляющему входу ключа, причем вход блока определения знака производной входного сигнала подключен ко входу устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Активные фильтры в микроэлектонном исполнении (обзор). - Заруежная радиоэлектроника, 1975 Ь k. 2., Джильберт В. Нелинейный фильтр ижних частот для подавления импульсных сигналов, - Электроника, 1976, 7, с. 62-6 (прототип).