Фильтр постоянной составляющей

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к фильтрам для выделения постоянной составляющей периодических напряжений. Технический результат заключается в повышении точности выделения постоянной составляющей и повышении быстродействия устройства. Для этого в фильтр на основе интегрирующего операционного усилителя введена схема, с помощью которой производится взятие определенного интеграла за период входного напряжения, что позволяет выделить постоянную составляющую из этого напряжения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к фильтрам для выделения постоянной составляющей периодических напряжений.

Известно, что фильтры постоянной составляющей (ФПС) относятся к фильтрам нижних частот, полоса пропускания которых лежит в пределах от нулевой частоты (постоянное напряжение) до некоторой частоты среза ω_c, причем для ФПС ω_c<ω₁, где ω₁ - частота первой гармоники напряжения.

Известны пассивные ФПС на основе конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов, недостатком которых является трудность получения высоких фильтрующих свойств.

Известны также активные ФПС с использованием операционных усилителей (ОУ) (см. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоиздат, 1988, с. 100-108) [1], Они позволяют повысить точность выделения постоянной составляющей, но это сопровождается возрастанием инерционности фильтра, поскольку при этом необходимо увеличение постоянных времени фильтра.

Наиболее близким устройством к предлагаемому является ФПС на основе использования ОУ, резистора и конденсатора (см. Щербаков В.И., Гнездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.: Техника, 1983, с. 55, рис.3.1,а) [2], который принят в качестве прототипа. В таком устройстве не устраняется вышеотмеченный недостаток, касающийся увеличения инерционности при попытках повышения точности фильтрации.

Сущность решения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности выделения постоянной составляющей, а также быстродействия устройства.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с одним из выводов резистора, а в отрицательной обратной связи включен конденсатор, особенность заключается в том, что неинвертирующий вход ОУ соединен с нулевой шиной, а другой вывод резистора через первый ключ соединен с источником напряжения, который подсоединен к последовательно соединенным триггеру Шмитта и делителю частоты импульсов, причем выход последнего соединен с входом управления первого ключа, а также - с входом первого одновибратора, выход которого подключен к входу второго одновибратора и к входу управления инвертирующего устройства выборки-хранения, вход которого соединен с выходом ОУ, а выход является выходом фильтра, выход второго одновибратора соединен с входом управления второго ключа, который подсоединен параллельно конденсатору.

Кроме того, особенность устройства заключается в том, что, постоянная времени, равная произведению емкости конденсатора и сопротивления резистора, выбирается равной периоду входного напряжения, а коэффициент деления делителя частоты импульсов выбирается равным двум.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах представлено: на фиг. 1 изображена схема устройства, на фиг. 2 изображены временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства, на фиг. 3 приведена схема инвертирующего устройства выборки-хранения.

Устройство (фиг. 1) содержит триггер Шмитта 1, делитель частоты 2, первый ключ 3, резистор 4, ОУ 5, конденсатор 6, второй ключ 7, первый одновибратор 8, инвертирующее устройство выборки-хранения (УВХ) 9, второй одновибратор 10.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Входное периодическое напряжение u_вx(t) (в общем случае - несинусоидальное) с постоянной составляющей (фиг. 2, а) подается на триггер Шмитта 1, на выходе которого напряжение имеет прямоугольную форму (фиг. 2, б). Оно подается на делитель частоты 2, частота выходных импульсов которого (фиг. 2, в) в два раза меньше, чем частота импульсов на выходе триггера Шмитта 1. Таким образом, длительность импульса на выходе делителя 2 равна периоду Т входного напряжения. В течение времени 0...t₁ (фиг. 2, в) первый ключ 3 замкнут и входное напряжение через резистор 4 подается на вход ОУ 5. Этот усилитель, резистор 4 и конденсатор 6 образуют интегратор напряжения. В промежутке времени 0...t₁=T второй ключ 7 разомкнут, поэтому происходит интегрирование входного напряжения в соответствии с выражением: поскольку постоянная времени RC выбирается равной периоду Т входного напряжения. В выражении (1) R - сопротивление резистора 4, а С - емкость конденсатора 6. В момент времени ₁ ключ 3 размыкается и входное напряжение в течение следующего периода не поступает на вход интегратора.

Определенный интеграл (1), как известно, равен постоянной составляющей U_const входного напряжения, поэтому с учетом того, что интегратор - инвертирующий, имеем: U_инт= -U_const. (2) Задний фронт выходного напряжения делителя 2 (момент времени t₁) запускает первый одновибратор 8, который формирует импульс (фиг. 2, г), с помощью которого напряжение (2) интегратора фиксируется УВХ 9. Оно выполнено инвертирующим, поэтому выходное напряжение устройства в соответствии с (2) U_вых= -U_инт= -U_const. (3) В момент времени t₂, задним фронтом импульса одновибратора 8 запускается второй одновибратор 10, который формирует импульс (фиг. 2, д), замыкающий второй ключ 7, что обеспечивает разряд (обнуление) конденсатора 6 интегратора. Выходное напряжение устройства при этом определяется выражением (3) и не меняется.

В течение следующих двух периодов входного напряжения фильтр работает аналогично, но если при этом значение постоянной составляющей входного напряжения меняется, то пропорционально изменится и выходное напряжение устройства. В соответствии с этим быстродействие предложенного устройства (время обработки информации) определяется его постоянной времени 16 τ = 2T = 2RC, (4) которая существенно меньше, чем постоянная времени прототипа (см. приложение к данной заявке) и других фильтров нижних частот, работающих в режиме ФПС.

Точность фильтрации постоянной составляющей также увеличивается, поскольку алгоритм (1) обеспечивает получение на выходе устройства только постоянной составляющей и полное подавление переменной составляющей входного напряжения.

Инвертирующее устройство выборки-хранения 9 может быть выполнено, например, согласно схеме, приведенной на фиг. 3. Она содержит ключ, вход управления которого является входом управления УВХ, повторитель напряжения и инвертирующий усилитель с коэффициентом передачи - 1, выполненные на основе ОУ.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, заключающегося в повышении точности выделения постоянной составляющей и повышении быстродействия устройства. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

ПРИЛОЖЕНИЕ Передаточная функция прототипа (фиг.4) определяется выражением:

откуда можно найти его АЧХ в виде:

При этом постоянная времени фильтра определится из значения полюса выражения (5):
τ = 1/|p| = R₂C. (7)
Допустим имеется напряжение, содержащее постоянную составляющую и гармонику с частотой f= 50 Гц. Необходимо выделить постоянную состовляющую и подавить переменную состовляющую напряжения, причем, поскольку полностью подавить переменную составляющую с помощью прототипа невозможно, то нужно задаться необходимым коэффициентом передачи на частоте переменно составляющей, например К(50)=0,01(подавление переменной составляющей до 1%).

Из (6) найдем необходимое значение постоянной времени (7): τ = 0,32 c. При этом время переходного процесса t_пп ≅ 4 τ ≅ 1,2 c, которое определяет быстродействие прототипа.

При этих же условиях в предложенном устройстве быстродействие определяется постоянной времени (4) (см. описание к заявке): τ = 2T = 2/f = 2/50 = 0,04 c, что существенно меньше, чем у прототипа, при полном подавлении переменной состовляющей.

Отметим также, что предложенное устройство имеет более высокое быстродействие и по сравнению с другими фильтрами нижних частот, работающих в режиме выделения постоянной составляющей. Этот вывод сделан по результатам анализа данных, приведенных в литературе [1] , где приведены параметры различных фильтров.

Формула изобретения

1. Фильтр постоянной составляющей, содержащий операционный усилитель (ОУ), неинвертирующий вход которого соединен с одним из выводов резистора, а в отрицательной обратной связи включен конденсатор, отличающийся тем, что неинвертирующий вход ОУ соединен с нулевой шиной, а другой вывод резистора через первый ключ соединен с источником напряжения, к которому также подсоединены последовательно соединенные триггер Шмитта и делитель частоты импульсов, причем выход последнего соединен с входом управления первого ключа, а также - с входом первого одновибратора, выход которого подключен к входу второго одновибратора и к входу управления инвертирущего устройства выборки-хранения, вход которого соединен с выходом ОУ, а выход является выходом фильтра, выход второго одновибратора соединен с входом управления второго ключа, который подсоединен параллельно конденсатору.

2. Фильтр постоянной составляющей по п. 1, отличающийся тем, что постоянная времени, равная произведению емкости конденсатора и сопротивления резистора, выбирается равной периоду входного напряжения, а коэффициент деления делителя частоты импульсов выбирается равным двум.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4