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. Для этого в устройство введены дифференцирующий (18) и интегрирующий (интегратор) (17) операционные усилители (ОУ) (4), (8) и схема (11-16) устранения интегрирования напряжения смещения и входных токов ОУ (8), входящего в состав интегратора (17), состоящая из последовательно соединенных дифференцирующей цепи на конденсаторе (11) и резисторе (12), триггера Шмитта (13), делителя частоты (14), формирователя импульсов (15), сигнал с выхода которого управляет разрядным ключом (10) интегратора (17), а также дифференциальный усилитель (16), инвертирующий вход которого соединен с выходом интегратора (17), а неинвертирующий - с источником сигнала (1). 3 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). 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 компенсационного способа выделения постоянной составляющей (см. Волгин Л. П. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М. : Советское радио, 1977, стр.87-89, рис.2.54,в), принятый за прототип. Принцип его работы заключается в выделении из исходного сигнала переменной составляющей и ее вычитании из исходного сигнала.

Недостатком такого устройства является трудность полной компенсации переменной составляющей, что приводит к погрешностям преобразования.

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

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройстве, содержащем первый резистор, подключенный к источнику входного сигнала; первый операционный усилитель (ОУ), в цепи отрицательной обратной связи которого включен второй резистор, а неинвертирующий вход которого заземлен; второй ОУ, к инвертирующему выводу которого подключен третий резистор, а неинвертирующий вход которого заземлен; четвертый резистор, подсоединенный к инвертирующему входу второго ОУ; первый конденсатор, один вывод которого подключен к инвертирующему входу первого ОУ; второй конденсатор, один вывод которого подключен к выходу второго ОУ, особенность заключается в том, что другие выводы первого резистора и первого конденсатора соединены между собой, выход первого ОУ соединен со вторым выводом третьего резистора, другие выводы четвертого резистора и второго конденсатора соединены между собой; а также в том, что в схему введены разрядный ключ, третий конденсатор, пятый резистор, триггер Шмитта, делитель частоты, формирователь импульсов и дифференциальный усилитель, выход которого является выходом фильтра, причем разрядный ключ подключен параллельно второму конденсатору, выход второго ОУ через последовательно соединенные третий конденсатор и пятый резистор соединен с земляной шиной, общая точка третьего конденсатора и пятого резистора подключена к входу триггера Шмитта, выход которого через делитель частоты и формирователь импульсов подключен к входу управления разрядного ключа; инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к выходу второго ОУ, а неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с источником сигнала.

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 фиг. 1 изображена схема ФПС, на фиг.2 приведена схема дифференциального усилителя.

Устройство содержит (фиг.1) источник сигнала 1, первый 2 и второй 3 резисторы, первый ОУ 4, первый конденсатор 5, третий 6 и четвертый 7 резисторы, второй ОУ 8, второй конденсатор 9, разрядный ключ 10, третий конденсатор 11, пятый резистор 12, триггер Шмитта 13, делитель частоты 14, формирователь импульсов 15, дифференциальный усилитель 16.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Входное периодическое напряжение u_l (в общем случае - несинусоидальное), содержащее переменную и постоянную U₁ составляющие, с выхода источника 1 подается на вход дифференцирующего ОУ 18, включающего первый ОУ 4, первый 2 и второй 3 резисторы, первый конденсатор 5. Его передаточная функция определяется выражением где R₂ - сопротивление первого резистора 2; R₃ - сопротивление второго резистора 3; С₅ - емкость первого конденсатора 5.

Напряжение u₁₈ на выходе узла 18 содержит только переменную составляющую, поскольку производная постоянной составляющей равна нулю. Отметим, что первый резистор 2 введен в узел 18 для повышения устойчивости работы.

Далее напряжение u₁₈ интегрируется с помощью интегратора 17 (фиг.1), включающего второй ОУ 8, третий 6 и четвертый 7 резисторы, второй конденсатор 9. Его передаточная функция определяется выражением где R₆ - сопротивление третьего резистора 6; R₇ - сопротивление четвертого резистора 7; С₉ - емкость второго конденсатора 9. Выходное напряжение интегратора 17 содержит только переменную составляющую при условии равенства нулю постоянной интегрирования, что соответствует случаю, когда до момента начала интегрирования конденсатор интегратора был разряжен. Это условие выполнить нетрудно. Если также выполнить условия R₃=R₆; R₂=R₇; C₅=C₉, то суммарная передаточная функция узлов 17 и 18 для переменной составляющей а для постоянной составляющей поэтому выходное напряжение интегратора 17 равно переменной составляющей напряжения источника 1:
Далее напряжение (5) и напряжение и₁ с выхода источника 1 подаются на вход дифференциального усилителя 16, который может быть собран на основе ОУ (фиг. 2). Коэффициенты передачи этого узла по инвертирующему и неинвертирующему входам равны соответственно "-1" и "1" при равенстве сопротивлений всех резисторов, поэтому на его выходе напряжение содержит только постоянную составляющую входного напряжения:

Выполнение операций дифференцирования и интегрирования при использовании предлагаемых узлов на основе операционных усилителей осуществляется с высокой точностью (при выполнении условия (3)), поэтому, в отличие от прототипа, выделение переменной составляющей входного напряжения (5) производится с высокой точностью, что способствует повышению точности выделения постоянной составляющей.

Известно, что ОУ имеет некоторое напряжение смещения и не равные нулю входные токи, поэтому в режиме длительного интегрирования на выходе интегратора 17 может появиться паразитное квазипостоянное напряжение. Для устранения этого эффекта выходное напряжение интегратора 17 подается на последовательно соединенные третий конденсатор 11 и пятый резистор 12. При выполнении условия

где R₁₂ - сопротивление пятого резистора 12, а С₁₁ - емкость третьего конденсатора 11, падение напряжения u₁₂ на резисторе 12 с малыми погрешностями соответствует переменной составляющей выходного напряжения интегратора 17, причем при этом имеет значение малость только фазовой погрешности, а амплитудная погрешность роли не играет. Для примера на фиг.3 приведена фазовая погрешность (в радианах) этой цепи при R₁₂=1 мОм, С₁₁=1 мкФ. В широком частотном диапазоне она имеет малое значение.

Далее напряжение u₁₂ подается на триггер Шмитта 13, который преобразует это напряжение в прямоугольные импульсы u₁₃. Делитель частоты 14 уменьшает частоту прямоугольных импульсов, поступаемых с триггера 13, а формирователь импульсов 15 генерирует импульс малой длительности по сравнению с периодом напряжения u₁₂ в момент перехода этого напряжения через нулевой уровень (т. е. в момент переднего или заднего фронта напряжения u₁₃). Этот импульс подается на вход управления разрядного ключа 10, чем достигается принудительная фиксация нулевого уровня интегратора 17. Благодаря делителю 14 такая фиксация осуществляется один раз за несколько периодов входного напряжения, поэтому погрешность от потери информации за время фиксации практически отсутствует, чему способствует и то обстоятельство, что в момент фиксации выходное напряжение интегратора 17 близко к нулю.

Триггер 13, делитель 14 и формирователь 15 особенностей не имеют и могут быть выполнены по известным схемам с использованием, например, операционных усилителей в интегральном исполнении и других микросхем.

Таким образом, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств. Также устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Фильтр постоянной составляющей, содержащий первый резистор, подключенный к источнику входного сигнала; первый операционный усилитель (ОУ), в цепи отрицательной обратной связи которого включен второй резистор, а неинвертирующий вход которого заземлен; второй ОУ, к инвертирующему выводу которого подключен третий резистор, а неинвертирующий вход которого заземлен; четвертый резистор, подсоединенный к инвертирующему входу второго ОУ; первый конденсатор, один вывод которого подключен к инвертирующему входу первого ОУ; второй конденсатор, один вывод которого подключен к выходу второго ОУ, отличающийся тем, что другие выводы первого резистора и первого конденсатора соединены между собой, выход первого ОУ соединен со вторым выводом третьего резистора, другие выводы четвертого резистора и второго конденсатора соединены между собой; а также тем, что в схему введены разрядный ключ, третий конденсатор, пятый резистор, триггер Шмитта, делитель частоты, формирователь импульсов и дифференциальный усилитель, выход которого является выходом фильтра, причем разрядный ключ подключен параллельно второму конденсатору, выход второго ОУ через последовательно соединенные третий конденсатор и пятый резистор соединен с земляной шиной, общая точка третьего конденсатора и пятого резистора подключена к входу триггера Шмитта, выход которого через делитель частоты и формирователь импульсов подключен к входу управления разрядного ключа; инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к выходу второго ОУ, а неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с источником сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3