Активный фильтр нижних частот четвертого порядка с нулем передачи

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в каналообразующей аппаратуре для реализации фильтрового оборудования с высокими показателями избирательности, динамического и частотного диапазонов. Технический результат заключается в повышении крутизны ската характеристики затухания фильтра четвертого порядка, при сохранении высоких динамического и частотного диапазонов, что достигается организацией дополнительного пути прямой передачи с входа фильтра к входу первого усилителя и соответствующих обратных связей. В устройстве за счет последовательного включения RC-моста четвертого порядка (R1, R2, R3, R4 и С1, С2, С3, С4), первого (К1), второго (К2) усилителей и организации связей: с выхода первого усилителя (К1) ко вторым выводам первого (С1), третьего (С3), а через пятый резистор (R5) второго (С2) и четвертого (С4) конденсаторов RC-моста; с выхода второго усилителя (К2), являющимся выходом фильтра, через пятый конденсатор (С5) в точку соединения второго (С2), четвертого конденсаторов (С4) и пятого резистора (R5); через шестой конденсатор (С6) в общую точку второго (R2), третьего (R3) резисторов и второго конденсатора (С2) моста, а через шестой резистор (R6) в общую точку первого (R1), второго (R2) резисторов и первого конденсатора (С1) моста, происходит увеличение крутизны ската характеристики затухания фильтра в результате формирования нуля передачи за частотой среза фильтра. 3 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в электрических фильтрах высоких порядков, реализующих аппроксимацию частотных характеристик затухания с нулями передачи и имеющих большой динамический и частотный диапазоны.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом к предлагаемому изобретению) является устройство (Дружинин А.Н., Змий Б.Ф. - Активный фильтр нижних частот четвертого порядка, патент на изобретение RU №2277756, бюл. №16, 10.06.2006), содержащее шесть резисторов, шесть конденсаторов и два усилителя. Недостаток прототипа относительно низкая крутизна ската характеристики затухания фильтра из-за отсутствия нуля передачи в полосе частот затухания сигналов.

Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в увеличении крутизны ската частотной характеристики затухания активного RC-фильтра, посредством реализации нуля передачи в полосе задержки при сохранении заданного порядка передаточной функции, больших динамического и частотного диапазонов.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно подключенные вход фильтра, первый, второй, третий, четвертый резисторы, первый, второй усилители, выход последнего является выходом фильтра, вторые выводы первого, второго, третьего, четвертого резисторов соединены с первыми выводами, соответственно первого, второго, третьего, четвертого конденсаторов, вторые выводы первого и третьего конденсаторов соединены с выходом первого усилителя, вторые выводы четвертого - через пятый резистор с выходом первого усилителя и через пятый конденсатор с выходом фильтра, который через шестой резистор соединен с общей точкой первого, второго резисторов и первого конденсатора, а через шестой конденсатор - с общей точкой второго, третьего резисторов и второго конденсатора, дополнительная передача от входа фильтра к входу первого усилителя организована соединением второго вывода второго конденсатора с общей точкой включения четвертого, пятого конденсаторов и пятого резистора.

Сущность изобретения состоит в том, что за счет дополнительного прямого пути передачи к входу первого усилителя обеспечивается ноль передачи в полосе задерживания, распределения усиления в схеме и требуемой организации обратных связей сохраняется чувствительность прототипа передаточной функции к отклонениям параметра активных элементов. Что позволяет, по сравнению с прототипом, реализовать фильтры, имеющие частотные характеристики затухания с повышенной крутизной ската за счет всплеска затухания при сохранении динамического и частотного диапазонов.

Для звена четвертого порядка наличие нуля передачи характеризуется передаточной функцией следующего вида

Так как числитель передаточной функции формируется элементами с входа схемы до входа первого усилителя, то для реализации одного нуля передачи в схеме должно быть не менее двух путей с величинами передач p2С2+G2.

На основании организации соответствующих связей получена схема, представленная на фиг.1. Схема позволяет сформировать нуль передачи путем реализации двух прямых путей передачи: G1G2G3G4Δ2(p) и G1G2p2C2C4Δ1(р), где Δ2(р)=рС5+рС2+рС4+G5, Δ1(р)=G3+G4+рС3. В знаменателе передаточной функции появляются дополнительные множители с передачами: p2C5C2G3G4(G1+G2+G6+pC1), р3С6С2C4(G1+G2+G6+pC1)(G3+G4+pC3).

Введя соотношения между проводимостями первого и второго узлов графа: (G3+G4+pC3)z=(G5+рС2+рС4+рС5), С2=mC4, G3=mG4, получим выражение для передаточной функции

форму записи которого несложно привести к виду (1). Следовательно, на звеньях фильтров (фиг.1) возможна реализация частотных характеристик со всплесками затухания.

Передаточные функции фильтра нижних частот четвертого порядка с нулем передачи (фиг.1) и прототипа (фиг.2) могут быть записаны как

где f0(p)=ΣPKΔK - сумма передач прямых путей с входа фильтра на вход первого усилителя;

f1(p)=ΣPiΔi - сумма передач путей обратной связи первого усилителя;

f2(p)=ΣPmΔm - сумма передач путей обратной связи с выхода второго усилителя на вход первого усилителя;

К1 и К2 - коэффициенты усиления первого и второго усилителей;

Δ(p) - определитель пассивной RC-цепи и р - оператор Лапласа.

Динамический и частотный диапазоны активной RC-цепи связан с величинами чувствительности передаточной функции к отклонениям параметров активных элементов, соответственно следующими соотношениями:

где ωp, Q, П, δω - резонансная частота, добротность, площадь усиления и относительная частотная нестабильность (δω=Δωpр) ARC-цепи соответственно; D - динамический диапазон ARC-цепи; DА - динамический диапазон усилителя; , а в свою очередь - есть чувствительность комплексной передаточной функции к отклонению коэффициента усиления i-го усилителя, а Кi - коэффициент усиления i-го усилителя.

Модули величин L1 и L2 определяются на основе передаточной функции (3), как:

В числитель выражения (7) входят два слагаемых с различными знаками, что позволяет уменьшить числитель до сколь угодно малой величины, а следовательно, уменьшить L2. Уменьшение величины L1 связано с распределением усиления. Так, если обеспечить К2>>К1, то вполне возможно уменьшить L1 до малой величины. Следовательно, с целью обеспечения оптимальных значений L1 целесообразно выполнить равенство

и обеспечить значение величины равной . Следовательно, в соответствием с условиями (4) и (5) заявляемая схема фильтра и схема прототипа имеют одинаковые показатели по динамическому и частотному диапазонам.

Таким образом, при включении последовательно за RC-мостом четвертого порядка двух усилителей и организации связей: с выхода первого усилителя через вторые выводы первого, третьего конденсаторов, а через пятое сопротивление ко вторым выводам второго, четвертого конденсаторов RC-моста и с выхода второго усилителя: через пятый конденсатор в точку соединения пятого резистора, второго и четвертого конденсаторов; через шестой конденсатор в общую точку включения второго, третьего резисторов и второго конденсатора моста; а через шестой резистор в точку соединения первого, второго резисторов и первого конденсатора; происходит повышение крутизны ската характеристики затухания в полосе перехода, при сохранении высоких показателей динамического и частотного диапазонов активных фильтров на звеньях четвертого порядка.

Работа устройства описывается ее передаточной функцией:

при значениях коэффициентов:

b02=g1g2;

где g1, g2, g3, g4, g5, g6 и c1, c2, c3, с4, c5, c6 - нормированные значения проводимости резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6 и конденсаторов C1, C2, С3, C4, C5, C6 соответственно, при выполнении условий:

Расчет параметров элементов звена четвертого порядка сопряжен с трудностями, в основном из-за сложностей, связанных с наличием сокращающихся множителей в неявном виде, а также с тем, что при использовании модифицированного моста параметры одного и того же элемента определяют значения нескольких коэффициентов. Кроме того, при расчете параметров элементов необходимо также учитывать минимизацию величины критерия оптимальности, то есть выполнение условия (8).

Рассмотрим алгоритм определения параметров элементов в звене четвертого порядка с нулем передачи при Δа=3 дБ, КП=2, аmin=40 дБ. Для определения параметров элементов необходимо в этом случае решить следующую систему уравнений:

Решение уравнений (11) осуществляется в три этапа. На первом этапе определяются параметры элементов, обеспечивающие требуемые значения коэффициентов нормированной передаточной функции:

На втором этапе решается задача минимизации величины L2 путем определения параметров элементов, обеспечивающих выполнение первого равенства в системе условий (11).

На третьем этапе рассчитываются величины коэффициентов усиления, обеспечивающие выполнение третьего равенства системы (11) (К1=1, K2>4Q).

Например, при решении системы уравнений (11) при заданных коэффициентах передаточной функции (А3=0.9628, А2=1.4532, A1=0.7426, А0=0.2756) получим нормированные значения параметров элементов.

c1=1, с2=0.2048, с3=1.0658, с4=0.2153, с5=1.4910, с6=1.4910, z=3,

g1=0.1171, g2=0.6984, g3=1.8121, g4=1.8121, g5=0.1171, g6=10.8729, m=1.

График нормированной АЧХ, полученной при рассчитанных параметрах элементов, представлен на фиг.3, из которого видно, что полученные параметры элементов обеспечивают реализацию всплеска затухания в полосе задерживания характеристики.

На чертеже (фиг.1) представлена принципиальная схема устройства, где обозначено: 1 - вход активного фильтра четвертого порядка с нулем передачи; R1 - первый, R2 - второй; R3 - третий; R4 - четвертый; R5 - пятый, R6 - шестой резисторы, С1 - первый, С2 - второй; С3 - третий; С4 - четвертый; С5 - пятый, С6 - шестой конденсаторы, К1 - первый и К2 - второй усилители; 2 - выход активного RC-фильтра четвертого порядка с нулем передачи; 3 или (и) 4 - корпус.

Входом фильтра 1 является левый вывод последовательно соединенных: RC - моста четвертого порядка (первый R1, второй R2, третий R3, четвертый R4 резисторы и первый С1, второй С2, третий С3, четвертый С4 конденсаторы), первого К1 и второго К2 усилителей, выход последнего является выходом фильтра 2; вторые выводы первого С1, третьего С3 конденсаторов моста соединены с общей точкой включения выхода первого усилителя К1, входом второго усилителя К2 и первым выводом пятого резистора R5, вторым выводом подключенного ко вторым зажимам второго С2 и четвертого С4 конденсаторов моста, а через пятый конденсатор С5 - с выходом фильтра, которой через шестой конденсатор С6 включен в общую точку соединения второго R2, третьего R3 резисторов и второго конденсатора С2 и через шестой резистор - с общей точкой соединения первого R1, второго R2 резисторов и первого конденсатора С1 моста.

Активный фильтр нижних частот четвертого порядка с нулем передачи, содержащий последовательно подключенные входной зажим фильтра, первый, второй, третий, четвертый резисторы, первый, второй усилители, выход последнего является выходом фильтра, вторые выводы первого, второго, третьего, четвертого резисторов соединены с первыми выводами, соответственно, первого, второго, третьего, четвертого конденсаторов, вторые выводы первого и третьего конденсаторов соединены с выходом первого усилителя, вторые выводы четвертого - через пятый резистор с выходом первого усилителя и через пятый конденсатор с выходом фильтра, который через шестой резистор соединен с общей точкой первого, второго резисторов и первого конденсатора, а через шестой конденсатор - с общей точкой второго, третьего резисторов и второго конденсатора, отличающийся тем, что второй вывод второго конденсатора соединен с общей точкой включения четвертого, пятого конденсаторов и пятого резистора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиоэлектронике. .

Изобретение относится к радиоэлектронике для использования в радиоприемных устройствах при обработке сигналов, а также в измерительной технике. .

Изобретение относится к радиоэлектронике, более конкретно к частотно-избирательным средствам для использования в качестве однозвенного фильтра верхних частот второго порядка с нулем передачи или как составная часть многозвенного фильтра.

Изобретение относится к радиотехнике для реализации фильтрового оборудования с высокими показателями избирательности. .

Изобретение относится к радиотехнике для использования в каналообразующей аппаратуре. .

Изобретение относится к радитехнике и может использоваться в каналообразующей аппаратуре с высокими показателями избирательности, динамического и частотного диапазонов.

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

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве фильтра основной селекции в профессиональных радиоприемных устройствах, а также в измерительной технике.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции сигналов. .

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться в качестве фильтра основной селекции в профессиональной аппаратуре связи. .

Изобретение относится к области электроники, в частности к активным фильтрам с компенсацией для снижения увеличения значения добротности

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в каналообразующей аппаратуре для реализации фильтрового оборудования с высокими показателями: избирательности, динамического и частотного диапазонов

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве контрольно-сигнального устройства для контроля квазистатических и низкочастотных параметров состояния машин в процессе эксплуатации. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, уменьшении времени готовности и обеспечении помехоустойчивости. Технический результат достигается благодаря тому, что в устройство для контроля сигналов дополнительно введены шины начального напряжения и сигнализации, пороговый элемент, аналоговый ключ с управляющим входом, третий резистор, диод, катод которого соединен с шиной питания и входом интегрирующей RC-цепи, выход которой соединен с анодом диода и входом порогового элемента, выход которого соединен с первым выводом второго резистивного делителя и управляющим входом аналогового ключа, вход которого соединен с шиной начального напряжения, а выход - с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого через третий резистор соединен с общей шиной, шина среднего значения соединена с первым входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с шиной сигнализации, второй вывод второго резистивного делителя соединен либо с шиной питания, либо с общей шиной. 5 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для выделения квазипостоянных несимметричных сигналов на фоне синфазных напряжений и электромагнитных помех. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона частот фильтра нижних частот первого порядка для симметричного сигнала. Фильтр нижних частот содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистора и через второй резистор с выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен через третий резистор с первой входной шиной и через первый конденсатор с общей шиной, при этом дополнительно введены четвертый резистор, второй и третий конденсаторы, вторая входная шина, которая соединена со вторым выводом первого резистора и через второй конденсатор с общей шиной, которая через четвертый резистор соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен через третий конденсатор с выходом операционного усилителя. 2 ил.
Наверх