Фильтр с дискретно перестраиваемыми характеристиками

Устройство относится к области автоматики и может использоваться в системах фильтрации сигналов при автоматизации технологических процессов. Технический результат заключается в повышении точности и помехоустойчивости при реализации перестраиваемых фильтров с дифференцирующими характеристиками. Устройство содержит источник входного сигнала (1), фильтр (2) с дискретно изменяемой в функции уровня электрического сигнала структурой, имеющей информационный и управляющие входы, последовательно включенные первый сумматор (С) (3) и интегратор (4), выход которого соединен с входами n-го числа релейных элементов (РЭ) (5-8), причем n≥3... - нечетное число, выходы которых подключены к входам второго С (9), выход которого подключен к первому входу первого С (3), второй вход которого соединен с источником (1), дешифратор (ДТП) (10) с n-1 входами, которые соединены с выходами соответствующих РЭ (6-8), а выходы ДТП (10) подключены к управляющим входам фильтра (2), выход которого соединен с выходной клеммой (11) устройства. Согласно изобретению вход фильтра (2) подключен ко второму входу первого С (3). 4 ил.

 

Устройство относится к области автоматики и может использоваться в системах фильтрации сигналов при автоматизации технологических процессов.

Известен активный фильтр, характеристики которого изменяются за счет переключения конденсаторов (Гауси М., Лакер К. Активные фильтры с переключемыми конденсаторами: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. - 168 с.).

Данный фильтр состоит из конденсаторов, резисторов транзисторных ключей и операционных усилителей.

Недостатком известного устройства является его низкая помехоустойчивость, так как определение уровня входного сигнала, при котором фильтр должен менять свои характеристики, осуществляется с помощью компараторов, которые чувствительны к сигналам внешних помех.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является фильтр на основе многозонного развертывающего преобразователя (МРП) (а.с. 1381545 СССР, G06G 7/12. Развертывающий преобразователь / Цытович Л.И. (СССР). - №41003521/24; Заявлено 17.12.86; Опубл. 07.05.88, Бюл. №10), в состав которого входят многозонный развертывающий преобразователь (МРП), состоящий из двух сумматоров, интегратора и группы из нечетного числа релейных элементов, а также дешифратор и фильтр с перестраиваемой передаточной функцией, входная и выходная клеммы.

Изменение передаточной функции фильтра происходит под действием выходных сигналов дешифратора, определяющего кодовое состояние релейных элементов, которое строго соответствует уровню сигнала на входе МРП.

Недостатком устройства является то, что фильтр не может быть реализован с передаточной функцией дифференцирующего звена, так как в этом случае происходит усиление высокочастотного спектра выходных импульсов МРП, и сигнал на выходе фильтра оказывается сильно искаженным. Более того, в большинстве случаев подобная структура вообще оказывается неработоспособной для дифференцирующих законов регулирования из-за насыщения операционного усилителя, на базе которого реализуется фильтр, выходными импульсами второго сумматора МРП. Поэтому устройство - прототип, как правило, используется для апериодических фильтров n-го порядка с перестраиваемыми параметрами, когда звено - фильтр реализует не только требуемый закон регулирования, но и одновременно подавляет высокочастотные гармоники выходного сигнала МРП.

Таким образом, известное техническое решение имеет низкую точность и помехоустойчивость работы при реализации на его основе дифференцирующих регуляторов.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности и помехоустойчивости работы дискретно перестраиваемого в функции входного сигнала фильтра на базе МРП.

Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве, содержащем источник входного сигнала, фильтр с дискретно изменяемой в функции уровня электрического сигнала структурой, имеющей информационный и управляющие входы, последовательно включенные первый сумматор и интегратор, выход которого соединен с входами n-го числа релейных элементов, причем n≥3...... - нечетное число, выходы которых подключены к входам второго сумматора, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с источником входного сигнала, дешифратор с n-1 входами, которые соединены с выходами соответствующих релейных элементов, а выходы дешифратора подключены к управляющим входам фильтра с дискретно изменяемой структурой, выход которого соединен с выходной клеммой устройства, согласно изобретению вход фильтра с дискретно изменяемой структурой подключен ко второму входу первого сумматора.

При исследовании предлагаемого устройства по патентной и научно-технической литературе не выявлены технические решения, содержащие признаки, эквивалентные признакам заявляемого устройства и, следовательно, данное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что вход фильтра с дискретно изменяемой структурой подключен ко второму входу первого сумматора. При этом выходные импульсы МРП не воздействуют на информационный вход фильтра с дискретно изменяемой структурой, что исключает возможность проникновения на выход устройства высокочастотных гармоник, обусловленных импульсным характером напряжения на выходе второго сумматора МРП.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства и характеристика «вход-выход» релейного элемента;

Фиг.2 - временные диаграммы сигналов предлагаемого устройства;

Фиг.3 - амплитудная характеристика (а) и кодовая таблица состояний релейных элементов (б);

Фиг.4 - пример реализации пропорционально-дифференцирующего звена с дискретно изменяемой характеристикой (а) и его частотные характеристики (б).

В состав устройства входят (фиг.1) источник входного сигнала 1, фильтр 2 с дискретно изменяемой структурой, первый сумматор 3, интегратор 4, релейные элементы 5-8, второй сумматор 9, дешифратор двоичного кода 10, выходная клемма 11.

Блоки устройства имеют следующие характеристики.

Фильтр 2, информационный вход которого соединен со вторым входом сумматора 3, выполнен с дискретно изменяемой структурой, что происходит под действием выходного сигнала дешифратора 10.

Сумматоры 3, 9 имеют линейную неинвертирующую характеристику «вход-выход» и единичный коэффициент передачи по каждому из входов.

Интегратор 4 имеет передаточную функцию , где Т_и - постоянная времени. При скачке входного сигнала, например положительной полярности, выходной сигнал звена 3 изменяется линейно со знаком, противоположным знаку входного воздействия.

Релейные элементы (РЭ) 5-8 имеют симметричную относительно нуля неинвертирующую петлю гистерезиса (фиг.1, б) с порогами переключения ±b_i. При этом выходной сигнал РЭ 5-8 меняется дискретно в пределах ±A/n, где n≥3 - нечетное число. Пороги переключения РЭ удовлетворяют условию где индекс при «b» соответствует порядковому номеру РЭ. При рассмотрении принципа действия устройства ограничимся числом n=3

Дешифратор 10 преобразует двоичную кодовую комбинацию с выхода РЭ6-РЭ8 в десятичный код, в соответствии с которым изменяется передаточная функция фильтра 2.

На фиг.2, 3 введены следующие обозначения:

Х_вх - сигнал на выходе источника 1;

Y_и(t) - выходной сигнал интегратора 4;

Y_p1(t),Y_p2(t),Y_p3(t) - выходные сигналы релейных элементов 5, 6, 7 соответственно;

±b₁, ±b₂, ±b₃ - пороги переключения релейных элементов 5, 6, 7 соответственно;

±А/3 - амплитуда выходных импульсов релейных звеньев 5, 6, 7 и сумматора 9;

±А - максимальная амплитуда выходного сигнала сумматора 9;

Y_вых(t) - выходной импульсный сигнал сумматора 9;

Y₀ - среднее значение импульсов на выходе сумматора 9.

Устройство работает следующим образом.

При включении МРП и нулевом входном сигнале Х_вх релейные элементы 5, 6, 7 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (фиг.2, в-д). Под действием сигнала развертки Y_И(t) с выхода интегратора 4 (фиг.2, б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 блоков 5, 6 (фиг.2 в, г, моменты времени t₀₁, t₀₂), после чего меняется направление развертывающего преобразования, и сигнал Y_И(t) нарастает в положительном направлении. Начиная с момента времени выполнения условия Y_И(t)=b₁ МРП входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Y_И(t) ограничена зоной неоднозначности релейного элемента 5, имеющего минимальное значение порогов переключения, а РЭ6, РЭ7 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов Y_p2(t), Y_р3(t) состояниях (фиг.2г, д). Выходная координата Y_вых(t) МРП формируется за счет переключений РЭ5 (фиг.2в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3 (фиг.2е). При отсутствии Х_вх (фиг.2a, t<t₀) среднее значение Y₀ импульсов Y_вых(t) равно нулю.

Наличие входной координаты Х_вх〈(А/3) (фиг.2a, t₀<t<t₀*) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Y_вых(t), так как в интервале t₁ (фиг.2в) развертка Y_и(t) (фиг.2б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 3 (фиг.2а, е), а в интервале t₂-dY_И(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Y₀≡X_вх (фиг.2, е).

Предположим, что в момент времени t₀* сигнал X_вх увеличился дискретно до величины (А/3)<X_вх<A (фиг.2а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП переходит на этап переориентации состояний РЭ6, РЭ7, который заканчивается в момент времени t₀₃, когда РЭ7 переключается в идентичное положение -А/3 (фиг.2д). Координата Y_вых(t) достигает уровня -А (фиг.3е), и МРП переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t₁, t₂ (фиг.3в) скорость формирования сигнала развертки Y_И(t) (фиг.2б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор 3. При этом сигнал Y₀ включает постоянную составляющую -А/3 и среднее значение импульсного потока Y_вых(t) второй модуляционной зоны (фиг.2е). Переход МРП из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений координаты X_вх сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).

Модуляционная и амплитудная характеристики (фиг.3) МРП для любой i-ой модуляционной зоны определяются соотношениями:

Y_0,i=(-1)A[(2Z_i-3)+2γ]n^-1=-X_вх,

где - нормированное значение порога переключения b₁; - нормированная величина входного сигнала МРП, причем n - количество релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число; Z_i=1, 2, 3... - порядковый номер модуляционной зоны; γ=t₁/(t₁+t₂) - скважность выходных импульсов МРП; ±А - максимальная амплитуда выходного сигнала МРП; Т_И - постоянная времени интегратора.

Состояния всех РЭ, за исключением РЭ5, можно рассматривать в качестве двоичной кодовой комбинации, причем каждой модуляционной зоне выходного сигнала МРП соответствует своя кодовая комбинация или их группа.

Считаем, что положительному знаку сигнала на выходе релейного элемента соответствует логическая «1», а отрицательному - логический «0». Кроме того, полагаем, что РЭ6 формирует значение младшего разряда двоичного кода, а состояние РЭ7 определяет значение старшего разряда двоичного кода.

Обратимся к амплитудной характеристике МРП (фиг.3а) и таблице кодового состояния релейных элементов РЭ6, РЭ7 (фиг.3б). Учитывая, что при включении МРП релейные элементы 6, 7 ориентируются произвольным образом, первая модуляционная зона может быть охарактеризована двоичными кодовыми комбинациями 01 или 10, т.е. десятичными числами 1 или 2.

При переходе системы в старшую модуляционную зону второго (+М2) или четвертого (-М2) квадрантов характеристики число кодовых комбинаций ограничивается одной: 11 или 00 соответственно.

В результате однозначная связь кодового состояние РЭ6-РЭ7 с величиной сигнала от источника 1 позволяет с помощью ключевых элементов, входящих в состав фильтра 2, менять его конфигурацию в функции входного сигнала Х_вх.

Последнее реализуется с помощью дешифратора DC 10, на выходных шинах которого формируются командные сигналы логической «1», изменяющие передаточную функцию фильтра 2. Для первой модуляционной зоны М31 шины 0 и 1 дешифратора 10, как правило, объединяются по функции «ИЛИ». В итоге каждой модуляционной зоне МРП соответствует свой вид W₁(p), W₂(p), W₃(p) передаточной функции W_i(p) фильтра Ф (фиг.3б).

Рассмотрим пример реализации фильтра 2 (рис.4а). В его состав входят резисторы 12, 13, 14, операционный усилитель 15, конденсаторы 16, 17, ключи 18, 19, логический элемент «ИЛИ» 20, управляющие входы 21, 22, 23, информационный вход 24, выход 11.

При работе МРП в зоне «-М32» фильтр 2 представляет собой пропорциональное звено (фиг.4б), так как ключи 18, 19 замкнуты. В модуляционной зоне «+М31» (фиг.3а) на выходе блока 20 формируется «1», под действием которой размыкается ключ 18, и звено 2 имеет передаточную функцию вида W₁(p)=T₁p+1 (фиг.4б). В случае перехода МРП в зону «+М32» (фиг.3а, б) на вход 23 с выхода дешифратора 10 подается «1», и ключ 19 размыкается, а ключ 18 переходит в исходное состояние. При этом постоянная времени Т₁, например, уменьшается (фиг.4б).

Аналогичный алгоритм изменения динамических характеристик звена 2 в устройстве - прототипе невозможен, так как при его дифференцирующих свойствах произойдет усиление высокочастотного спектра импульсов с выхода МРП, что, как правило, вызовет режим насыщения операционного усилителя звена 15 (фиг.4а) и его неработоспособность.

Кроме того, определение с помощью МРП уровня входного сигнала, при котором фильтр 2 должен менять свои характеристики, обеспечивает повышенную температурную и временную стабильность работы устройства в целом, так как МРП представляет собой замкнутую систему регулирования, где ее переход из одной модуляционной зоны в другую практически не зависит от дрейфа порогов переключения релейных элементов.

Таким образом, предлагаемой техническое решение обладает более высокой точность и помехоустойчивостью по сравнению с прототипом.

Фильтр с дискретно перестраиваемыми характеристиками, содержащий источник входного сигнала, фильтр с дискретно изменяемой в функции уровня электрического сигнала структурой, имеющий информационный и управляющие входы, последовательно включенные первый сумматор и интегратор, выход которого соединен с входами n-го числа релейных элементов, причем n≥3... - нечетное число, выходы которых подключены к входам второго сумматора, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с источником входного сигнала, дешифратор с n-1 входами, которые соединены с выходами соответствующих релейных элементов, а выходы дешифратора подключены к управляющим входам фильтра с дискретно изменяемой структурой, выход которого соединен с выходной клеммой устройства, отличающийся тем, что информационный вход фильтра с дискретно изменяемой структурой подключен ко второму входу первого сумматора.