Фильтр нижних частот
Иллюстрации
Реферат
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
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„.80„„1032593 A
3Ц11 Н 03 Н 11/12; Ц 05 В 5/01!
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ. ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 21 ); 3418266/18-24 {22) 06.04.82 (46) 30.07.83. Бюл.928 (72) В.С. Гутников .и В.fl, Ашанин (71) Ленинградский. ордена Ленина политехнический институт им.М.И.Калинина (53) 681 ° 335(088.8) (56) 1. Патент США Р 3890577, кл. 330-31, опублик. 1975.
2. Авторское свидетельство СССР
9 491910, кл. C 05 В 5/01, 1974.
3. Гутников В.С. Применение операционных усилителей в измерительной технике „ Л., Энергия, 1975,с.91 прототип (54)(87) ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ, содержащий операционный усилитель, ин вертирующий вход которого подключен к одному из выводов первого масштабного резистора и через интегрирующий конденсатор соединен с выходом ,операционного усилителя, и блок выборки хранения, вход которого подключен к выходу операционного усилителя, 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 инвертирукидему входу операционного усилителя, а вторые вы воды 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 Р и
3 Ф, где Й - сопротивление первого масштабного резистора.
1032593
Изобретение относится к электроиэмерительной технике и может быть использовано при построении различных злектроизмерительных приборов, а также в качестве корректирующего устройства. в системах автоматического управления и регулирования.
Известен фильтр нижних частот (ФНЧ), содержащий и -входовой пассивный интегратор, входы которого через соответствующие и ключей подключены 10 к источнику входного сигнала, выходic входу активной усилительной схемы.
Положительным качеством такого ФНЧ является возможность изменения полосы заграждения н зависимости от 3S свойств помехи (1).
К недостаткам данного ФНЧ следует отнести относительно высокую побрешность, 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.
Известен ФНЧ, содержащий последовательно соединенные первый, второй, третий интеграторы и ключи, характеризующийся универсальностью, т.е. позволяющий при смене программ коммутации ключей перестраивать реализуемые кусочно-полиноминальные весовые функции (ВФ ): простое интегрирование,. днухкратное и трехкратное интегри- ронание. Это дает возможность выбора
ВФ в зависимости от свойств наложенной ка полезный сигнал помехи („2 ).
Недостатком устройства является низкая точность, объясняющаяся тем, что нестабильность постоянных времени последовательно включенных интегра- 40 торов влияет как на величину помехоподавления, так и на точность передачи 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 устройство выборки и хранения соединен с его выходом, а второй вход которого соединен с источником входного сигнала (3 J.
Недостатком известного устройства является низкая точность, которая обуславливается влиянием параметров резисторов интегратора на коэффициент передачи полезного сигнала, а также низкий уровень подавления помех н полосе задержания. Это видно из выражения для амплитудно-частот- 6О ной характеристики (АЧХ ) устройства: юТ
И (42)- 2 i () озТ /2 где м=27т — частота входного сигнала, — период дескретиэации. (ель изобретения — повышение точности передачи полезного сигнала и уровня нодавления высших частот входного сигнала.
Поставленная цель достигается тем, что в фильтр нижних частот, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к одному иэ 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 перного 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 — c выходом блока выборки-хранения, причем сопротивления второго и третьего масштабных резисторов равны соответственно Р и 3k где Р - сопротивление первого масштабного резистора.
На фиг.1 представлена функциональная схема фильтра нижних частот;на фиг.2 - диаграммы, поясняющие работу фильтра.
Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит ключи 1-6, многонходовйй интегратор 7, построенный на резисто-, рах 8-10, операционном усилителе ОУ)
11 интегрирующем 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 6 — 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 — c выхода.ми ключей 5 и б. 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, соединенных с источником входного сигнала йвыходом фильтра соответственно. Выходное напряжение интегратора, равное интегралу суммы задан ных найряжений периодически запоминается БВХ 13,. Выборка производится
1032593
25 замыканием ключа, входящего в состав
БВХ на короткие промежутки времени Х, с периодом Т„. Номиналы резисторов
8-10 имеют значения й., к и 3 соответственно. Фильтр может работать н одном из трех режимов.
В первом режиме (фиг.2,а) замыкаютея ключи 1 и 2, причем замыкание ключа 2 производится на время Т позже замыкания ключа 1. Это соответствует реализации прямоугольной весовой 10 функции(ВФ) длительностью Т и моцуль
АЧХ фильтр описывает выражением (1).
Во втором режиме производится замыкание ключей 1-4 соответственно временным диаграммам, представленным 15 на фиг.2,б, т.е. на интервале времени от 0 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, 20 сформированная кусочно-постоянная
ВФ вида 1-2-1 позволяет получить
АЧХ устройства в виде мТ
2 SIA—
K(t4) с08 (Ь J
Спектр сетевой помехи в зоне шириной 2Ъ, примыкающей частоте 50 Гц,. подавлен в этом случае на 68 дБ. Кри- g0 вая АЧХ окрестности всех нечетных гармоник сетевого напряжения также уплощена и задача подавления помех от сети решается вполне удовлетворительно. 35
Намного эффективнее производится подавление помехи в третьем режиме, при котором производится замыкание ключей по алгоритму, представленному на фиг.2,в, где на интерва- 40 ле времени от 0 до Т/2 замыкаются ключи 5 и 2, на интервале от Т/2 до ЗТ/2 — ключи 1 и 6, на интервале от ЗТ/2. до 2Т снова замыкаются ключи 5 и 2 (реализация ВФ 1-3-3-1 . При этом.АЧХ устройства описывается выра,жением цд) 2 2 ш1 (з) и)Т/2
50 что позволяет получить коэффициент подавления сетевой помехи н зоне 2Ъ 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 койффи- 60 циент подавления сетевой помехи в режимах П и Ш выше соответственно в
2 и 4 раза в логарифмической мере, чем у прототипа. Максимальное время интегрирования входного сигнала имеет65 место в первом и третьем режимах работы и равно 2Т. По сравнению с прототипом достигается также повышение прочности, так как коэффициент передачи для полезного сигнала н 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
Ll - Q О х Т х х Т вЂ” + Т+ о 12 2 РНСд и оС12 2 о Т о о Т
+ Т+ — i (4)
Р8С 2 2 К„,С.6 КОСМО 2 о и : соответственно значе8 1О ния резисторов 8,10 и конденсатора 12. из (4 ) при условии, что V„(t)=const, / получаем 8) оС1 8 о 12
Аналогичным образом можно показать, что точность передачи полезного сигнала в режимах I u II 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. неранен- . ством остаточных сопротивлений ключей
1 и 2, 3 и 4, 5 и 6 соответственно.
Предлагаемое устройство целесообразно использовать в качестве входного масштабирующего усилителя, обладающего фильтрующими свойствами, в вольтметре постоянного тока, аналого-цифровых преобразователях, работающих н условиях сильных индустриальных помех. Это достигается соотнетствующим 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 Х должка быть н 2 или 10 раз.меньше, чем длительность времени замкнутого состояния ключа 1, равного T. Аналогичным образом может быть выбран требуемый ксэффициент передачи для полезного сигнала в режиме П и Ш. При этом параметры данного усилителя не зависят от параметров пассивных элементов схемы.
1032593
М/Ю, Составитель С. Белан
Редактор Н. Стащишина Техред Ж.Кастелевич Корректор С.Шекмар
Заказ 5419/59 Тираж 936 Подписное
ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
«
Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4,Таким образом, предлагаемое устройстао позволяет получить более высокое подавление помехи в полосе заграждения и более высокую точность передачи поЛезного сигнала, чем у прототипа.
Применеиие предлагаемого устройст-
sa приводит к повышению быстродействия, точности и подавлению сетевой помехи, так как для используемого
ФНЧ характерио довольно большое время установления, а также ослабление входного измеряемого сигнала.
Кроме того, производительность .прибора повышается в 20 раз.