Фильтр нижних частот

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.

 

Фильтр нижних частот относится к информационно-измерительной технике и может быть использован для выделения квазипостоянных несимметричных сигналов на фоне синфазных напряжений и электромагнитных помех большой мощности.

Известен инвертирующий фильтр нижних частот первого порядка (см. А.Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях». - М.: БИНОМ, 1994, с.105), содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор подключен к входной шине и через параллельно соединенные второй резистор и первый конденсатор к выходу операционного усилителя, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общей шине.

Недостатками известного инвертирующего фильтра нижних частот первого порядка являются:

- отсутствие функции фильтрации дифференциального (симметричного) сигнала и синфазной помехи, т.к. фильтр работает с несимметричным сигналом;

- отсутствие функции интегратора разности напряжений в широком диапазоне частот, т.к. фильтр работает с несимметричным сигналом, а амплитудно-частотная характеристика меняет наклон с 6 до 0 дБ/окт при превышении заданной частоты, определяемой низкочастотным микромощным операционным усилителем и задающим конденсатором на инвертирующем входе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является неинвертирующий фильтр нижних частот первого порядка (см. ж. А.Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях», М.: БИНОМ, 1994, с.105), содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор подключен к общей шине и через второй резистор - к выходу операционного усилителя. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен через третий резистор к входной шине и через первый конденсатор к общей шине.

Недостатками неинвертирующего фильтра нижних частот первого порядка являются:

- отсутствие функции фильтрации дифференциального (симметричного) сигнала и синфазной помехи, т.к. фильтр работает с несимметричным сигналом;

- отсутствие функции интегратора разности напряжений в широком диапазоне частот, т.к. фильтр работает с несимметричным сигналом, а амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) меняет наклон с 6 на 12 дБ/окт при превышении заданной частоты, определяемой низкочастотным микромощным операционным усилителем и задающим конденсатором на неинвертирующем входе.

Технические результаты, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в расширении динамического диапазона фильтра нижних частот первого порядка для симметричного сигнала и функциональных возможностей.

Для достижения технических результатов в фильтре нижних частот, содержащем 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, новым является то, что 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.

Диапазон частот фильтра нижних частот с наклоном 6 дБ/окт охватывает области критических частот среза операционного усилителя, что свидетельствует о расширении динамического диапазона. Возможность регулирования вида АЧХ для симметричного сигнала, защита от влияния синфазных напряжений и мощных электромагнитных помех свидетельствует о расширении функциональных возможностей.

Расширенный динамический диапазон частот фильтра нижних частот (ФНЧ) первого порядка для симметричного сигнала и расширение функциональных возможностей обеспечиваются дополнительно введенными второй входной шиной, четвертым резистором, вторым и третьим конденсатором, за счет которых структура приведена к симметричной с заданием полосы фильтруемых частот, и совокупностью прежних и вновь введенных RC-цепей с возможностью регулировки АЧХ единственным третьим конденсатором, при минимальной величине которого обеспечивается начальный наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и плоская АЧХ после превышения заданной частоты, при определенной величине - наклон 6 дБ/окт в широком диапазоне частот, при максимальной величине - наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и 12 дБ/окт выше заданной частоты.

Заявленными характеристиками ФНЧ обеспечена защита от влияния синфазных напряжений и мощных электромагнитных помех при выделении сигналов низкого уровня. Ослабление вышеописанных помех обеспечивается в полосе выше 10 МГц (для прецизионных микромощных операционных усилителей с малым напряжением смещения нуля и малым временным и температурным дрейфом параметров операционных усилителей) в отличие от известных устройств с полосой не более единиц килогерц. За счет вышеуказанного обеспечивается суммарный эффект подавления как синфазного напряжения в диапазоне до десятков мегагерц, так и подавление мощных электромагнитных несимметричных помех в диапазоне до десятков мегагерц. Учитывая, что при проектировании трудно предусмотреть заранее уровень электромагнитных помех, следует использовать заявленную схему в таких устройствах, как считыватели тока и т.д.

На фигуре 1 представлен пример реализации функциональной схемы фильтра нижних частот. На фигуре 2 приведены АЧХ фильтра нижних частот, где:

1 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при минимальной величине емкости второго конденсатора, при котором обеспечивается начальный наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и плоская АЧХ после превышения заданной частоты;

2 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при определенной величине емкости второго конденсатора, при котором обеспечивается наклон 6 дБ/окт в широком диапазоне частот, что соответствует фильтру нижних частот первого порядка;

3 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при максимальной величине емкости второго конденсатора, при котором обеспечивается наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и 12 дБ/окт выше заданной частоты;

fср - частота среза фильтра нижних частот;

fзад1 - первая заданная частота, определяемая параметрами операционного усилителя, резисторами и конденсаторами;

fзад2 - вторая заданная частота, начиная с которой АЧХ 1 и 2 фильтра нижних частот восстанавливают свой наклон 6 дБ/окт.

Фильтр нижних частот (фиг.1) содержит операционный усилитель 1, первый 2, второй 3, третий 4 и четвертый 5 резисторы, первая 6 и вторая 7 входные шины, первый 8, второй 9 и третий 10 конденсаторы.

Инвертирующий вход операционного усилителя 1 соединен с первым выводом первого резистора 2 и через второй резистор 3 с выходом операционного усилителя 1. Неинвертирующий вход операционного усилителя 1 соединен через третий резистор 4 с первой входной шиной 6 и через первый конденсатор 8 с общей шиной. Вторая входная шина 7 соединена со вторым выводом первого резистора 2 и через второй конденсатор 9 с общей шиной, которая через четвертый резистор 5 соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя 1. Инвертирующий вход операционного усилителя 1 соединен через третий конденсатор 10 с выходом операционного усилителя 1.

Фильтр нижних частот работает следующим образом.

В исходном статическом состоянии к схеме ФНЧ подключен источник симметричного сигнала (на фигуре 1 не показан) с нулевой амплитудой и частотой, близкой к нулю. Т.к. коэффициент передачи ФНЧ равен единице (в случае равенства сопротивлений всех резисторов), то на его выходе нулевое напряжение. При подаче напряжения с известной амплитудой и изменяемой частотой снимается АЧХ.

На фигуре 2 приведены три возможных вида АЧХ фильтра нижних частот, где:

1 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при минимальной величине емкости второго конденсатора 9, при котором обеспечивается начальный наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и плоская АЧХ после превышения заданной частоты;

2 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при определенной величине емкости второго конденсатора 9, при котором обеспечивается наклон 6 дБ/окт в широком диапазоне частот, что соответствует фильтру нижних частот первого порядка;

3 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при максимальной величине емкости второго конденсатора 9, при котором обеспечивается наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и 12 дБ/окт выше заданной частоты;

fср - частота среза фильтра нижних частот;

fзад1 4 - первая заданная частота, определяемая параметрами операционного усилителя, резисторами 2, 3, 4, 5 и конденсаторами 8, 10, начиная с которой АЧХ фильтров меняют свой наклон в зависимости от величины конденсатора 9;

fзад2 - вторая заданная частота, начиная с которой АЧХ 1 и 2 фильтра нижних частот восстанавливают свой наклон 6 дБ/окт.

Начальный участок от 0 Гц до частоты среза fср соответствует полосе пропускания полезного сигнала, в начале которой коэффициент передачи сигнала равен единице в случае равенства сопротивлений всех резисторов. При одновременном увеличении сопротивления резисторов 3, 5 коэффициент передачи может быть увеличен до требуемой величины.

На участке от частоты среза fср до первой заданной частоты fзад1 наклон всех АЧХ 1, 2, 3 равен 6 дБ/окт, что соответствует характеристике фильтра нижних частот первого порядка для дифференциального (симметричного) сигнала или характеристике интегратора разности напряжений.

На участке от первой заданной частоты fзад1 до второй заданной частоты fзад2 наклон всех АЧХ различен и зависит от выбранной величины конденсатора 9. При минимальной величине конденсатора 9 АЧХ 1 имеет уплощенный вид, при максимальной - АЧХ 2 имеет максимальный наклон 12 дБ/окт, что соответствует фильтру нижних частот второго порядка или двойному интегратору разности напряжений. Для обеспечения наклона АЧХ 3 величиной 6 дБ/окт емкость С конденсатора 9 определяется по формуле:

C = 1 2 π f з а д 1 ( R 4 |  | R 2 ) ,                                                                   (1)

где (R4||R2) - сопротивление параллельно включенных третьего резистора 4 и первого резистора 2.

На участке выше второй заданной частоты fзад2 наклон всех АЧХ равен 6 дБ/окт и не зависит от емкости конденсатора 9.

В предлагаемом фильтре нижних частот расширение динамического диапазона фильтра нижних частот первого порядка и расширение функциональных возможностей для симметричного сигнала обеспечены дополнительно введенными второй входной шиной 7, четвертым резистором 5, вторым 9 и третьим 10 конденсаторами, за счет которых структура приведена к симметричной с заданием полосы фильтруемых частот, совокупностью прежних и вновь введенных RC-цепей и возможностью регулировки АЧХ единственным вторым конденсатором 9, при минимальной величине емкости которого обеспечивается начальный наклон 6 дБ/окт до первой заданной частоты и плоская АЧХ после превышения первой заданной частоты до второй заданной частоты, при рассчитанной по формуле (1) величине емкости - наклон 6 дБ/окт в широком диапазоне частот, при максимальной величине емкости - наклон 6 дБ/окт до первой заданной частоты и 12 дБ/окт выше первой заданной частоты до второй заданной частоты.

Испытания макета фильтра нижних частот, выполненного на низкочастотном прецизионном микромощном операционном усилителе типа 1463УД4У, и моделирование фильтра нижних частот в САПР Micro-Cap 7.1.0, выполненного на операционных усилителях типа OP90, OP281, подтвердили его работоспособность и заявленные преимущества в диапазоне рабочих температур от -40 до +50°С.

Фильтр нижних частот, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.



 

Похожие патенты:

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.

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

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 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 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 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