Нелинейный фильтр нижних частот

 

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 дифференцируюощх RC-цепей 8, 9, сумматора 11 и порогового блока 10. 2 ил. . (Л S 00 4 ;о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

Э4ЮВ И

РЕСПУБЛИН ае 08 (51) 4 Н 03 Н 11/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К AST0PCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

11

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТЗФ.(21) 3597380/24-09 ,(22) 27.05.83 (46) 15.03.86. Вюл. Ф 10 (72) В.И.Анисимов (53) 621.372.5(088.8) (56) Дкильберт В. Нелийейный фильтр нижних частот. - Электроника, 1976, У 7, с. 62-64.

Авторское свидетельство СССР

Э 907772» an. Н 03 Н 11/00, 1980. (54) НЕЛЙНЕЙНЫИ ФИЛЬТР НИЖНИХ : ЧАСТОТ (57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для ослабления резонансных явлений и замкнутых 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 ВС -цепь 2, состоящую из первого резистора 3 и конденсатора 4, второй и третий резисторы 5, 6, управляемый ключ 7, первую и вторуго дифференцирующие Rr- -цепи 8, 9, пороговый, блок 10, .сумматор 11.

Цель изобретения достигается введе- . нием первой и второй дифференцирующих 1С- цепей 8, 9, сумматора 11 и порогового блока 10. 2 ил.

1218449 2 где q — фаза заряда конденсатора 4 с от входного напряжения гармонического колебания, определяемая выражением (1).

Напряжение на выходе усилителя 1 е е, определяется выражением (фиг. 2б). е,*A sin(yt-г ц,). е --е --Ab)qzt

ot. вх е,-ьсозср,biin(ut- р,1, 1

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 i интегрирующую

1С-цепь 2, состоящую из первого резистора 3 и конденсатора 4, второй 5 и третий 6 резисторы, управляемый ключ 7, первую 8 и вторую 9 дифференцирующие 1С -цепи, пороговый блок 10, сумматор 11.

Нелинейный фильтр нижних частот работает следующим образом.

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

1. Частота колебаний входного сигнала (47, ) ниже граничной частоты колебаний (У,р) в заданной полосе пропускания — И; - гр

2. Частота колебаний входного сигнала (Я;) вьппе граничной частоты колебаний (Gl ) в заданной полосе пропускания — я; > сд,.

3. В переходный процесс при воздействии на вход фильтра скачка напряжения йостоянного уровня (ев„

COYl5 t)

1. Частоты входных колебаний 4)гр (фиг. 2б) .

Примем начальную фазу входного . гармонического сигнала Ч; = О, а уровень постоянной составляющей Ао

= О. Тогда с учетом принятого допущения гармоническое колебание входного сигнала принимает вид

1 ев„-" ежам т М где А - амплитуда гармонического колебания.

При воздействии входного сЪтнала на интегрирующую RC-цепь 2 напряжение на конденсаторе 4 развивается с запаздыванием во времени at (фиг. 2б), определяемом выражением рс

1, ) (2)

10 На участке времени ь+ (е, = О) напряжение .на выходе усилителя 1 развивается противофазно входному (фиг. 2а), причем текущее значение выходного напряжения усилителя 1

15 определяется выражением 6 е --c» l R ь о д И) в частном случае, орН

20 где R и R6 — сопротивления второго 5 и третьего 6 резисторов соответственно.

НапРяжения ев„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 эадан-.

HblM llo o obl oTce KH — )E j (. 2a) .

Максимальное значение абсолютной разности напряжений 8в„ и Р, дости35 гает в момент времени 4 = at u определяется выражением (фиг. 2а) ;!ье!,„-« i Ч,. ! (s)

40 При достижении времени 4 = at начинается заряд конденсатора 4 в соответствии с выражением (фиг. 2а) 45 Ю а через период времени 4 = 2 at (фиг. 2а) текущее значение напряжения на выходе усилителя 1 становится равным О и в этот момент значение абсолютной разности напряжений 8в„ и е определяется выражением

/ье(- Ае1п 2 с с; (з}

/ье) де/

Зона, заключенная между текущими значениями напряжений е „и е в моменты времени 4 = at — 2 at, в переходный период обозначена на фиг. 2а символом "Зона 1".

Все остальные текущие значения абсолютной pasности напряжений е, и е до момента времени = /z ° чис1 ленно меньше значений, определяемых выражениями (5) и (7).

Если максимальное значение абсолютной разности напряжений двух сигналов /ее/„ „с /,/, то срабатывание порогового блока 10 не происходит и дальнейшие процессы на выходе усилителя 1 определяются выражением (3), из которого следует, что амплитуда напряжения Е, (при

R ) всегда равна амплитуде входного сигнала независимо от час тоты колебаний.

Напряжение на выходе, нелинейного фильтра нижних частот определяется выражением (фиг. 2б) и =< Т

7 где,, 2э — постоянные времени дифференцирующих

RC -цепей 8, 9, — период гармонического колебания входного сигнала, „" — масштабные коэффициенты передачи по каждому входу сумматора 11.

При значениях K = К = 0,5 выражение (8) преобразуется к виду

6 „СОз (f0 siA (Q4-CfC) e

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 выделить Зону 2, которая определяет собой максимальную разность теку цих значений напряжений е „ и е, в установившемся режиме работы нелинейного фильтра нижних частот. Она заключена в интервале времени 6 = Т/2 — ; ф T/2 + 2 Аф (фиг. 2а).

Таким образом,.при значениях

/ае/ = А Ып Яц c /E / на выходе нелинейного фильтра нижних чаотот имеет место гармоническое колебание, .е„,„-А е (

i прй

1218449

4 полностью повторяющее изменение напряжения на конденсаторе 4 интегрирующей Re -цепи 2.

2. Частоты входных колебаний

Gl Я,.р (фиг. 26) е

Предположим, что в момент времени частота входного гармогр ническсго колебания (;) стала выше граничной частоты (Я„ ) - Q; > Q„p

10 Тогда в связи с тем, что напряжение на конденсаторе 4 отстает от изменений входного сигнала на угол— выходное напряжение усилителя 1 начинает изменяться в противо15 фазе с входным. Если за время ht разность текущих значений напряжений е „ и ео превышает значение порога отсечки - /Fо/, 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. 2б).

Е„,„=оба 2 Й(Ы-9а )ое90 -О,.

Иными словами, на выходе нелинейного фильтра нижних частот наблюдается полное отсутствие гармонических колебаний . .Через период времени, меньший

Т/2, разность текущих значений е „

З5 и е становится меньше заданного порога отсечки — /Ео/

Пороговый 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 ев = О.

Пройдя через нулевое значение напряжения, e,„ „ìåíÿåò фазу на 180 а напряжение на выходе усилителя 1 до момента появления напряжения на конденсаторе 4 противофазно ему.

Если разность текущих значений е „ и е, опять превышает значение порога отсечки — /Е,/, процесс на выходе усилителя 1 противофаэен Е „ в течение следующего полу55 периода.

Далее процесс повторяется.

В этом режиме работы нелинейного фильтра нижних частот следует выде1218449

35

45

55

5 лить Зону 3 (фиг. 2а), являющуюся зоной оценки текущей частоты входного сигнала, которая в установившемся режиме повторяется через каждые полпериода. 5

Переходный процесс при воздействии на вход нелинейного фильтра нижних частот скачка напряжения постоянного уровня (е „ = E = cons< ) ..

В момент включения ев„ и в свя- 10 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 „ и е пос- 15 тупают на входы дифференцирующих

RC-цепей 9 и 8 с постоянной .времел л

Напряжения на выходе дифференцирующих RC -цепей 9 и 8 определяются выражением

« (, л .е =е е «Ее "/" ое вх 3 /-„, -„ 10)

09ео =-e å =-Ee 25

Значение абсолютной разности напряжений на входах порогового . блока 10 определяется выражением

/ье/=/e, -e / p(e /" т, - /и ) при

«(, «(, )7 (. =К.вС1 (gj)

Если это значение /ае/ в момент времени 1 = 0 превышает значение порога отсечки — /fo //, то пороговый блок 10 срабатывает и размыкает управляемый ключ 7.

Через время 11 текущее значение раэностй входных напряжений порогового блока 10 становится меньше значения / Е / и пороговый блок 10 вновь замыкает управлемый ключ 7.

С этого момента начинается заряд конденсатора 4 в соответствии с известным выражением (12)

Напряжение Е изменяется с удвоенной скоростью в соответствии с выражением е,«ев„(1- е ) - E(1-е ) . (13) (-й/О, t,/Ñ

Выходное напряжение фильтра е В„д определяется суммой двух напряжений е „ и е в соответствии с выражением

e»„-å,„ê, е,К,=Е(1-е |«e, .

«Цл ( а

Иэ выражения (14) следует, что выходное напряжение нелинейного фильтра нижних частот полностью определяется процессом заряда конденсагора 4.

Через время 1 = (3:5), напряжение на выходе нелинейного фильтра нижних частот равно е,„= Е

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

Формула изобретения

Нелинейный фильтр нижних частот, содержащий последовательно соединенные управляемый ключ, первый 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 тем, что, с целью скачкообразного ослабления частот за пределами полосы пропускания при малых фазовых сдвигах в заданном диапазоне частот, в него введены. первая и вторая дифференцирукнцие RC -цепи, сумматор и пороговый 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 входу 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.

1218449

Юх

Фиг Г

Составитель А.Меньшикова

Техред А.Бабинец:, Корректор М.Демчик

Редактор Н.Швыдкая

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

Заказ 1137/59 . Тираж 818 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5