ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР С УПРАВЛЯЕМОЙ ПОЛОСОЙ ПРОПУСКАНИЯ
BYPASS WITH CONTROLLED BANDWIDTH

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.
Известен 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, кроме того, 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 (см. патент РФ №2530703, МПК Н03Н 11/12, опубл. 10.10.2014, Бюл. №28), принятый за аналог.
Недостатком фильтра, принятого за аналог, является отсутствие программного переключения полосы нижних и верхних частот. В работе фильтра отсутствует возможность фильтрации высокочастотных составляющих входного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому полосовому фильтру является полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров, содержащий вход и выход устройства, первый дифференциальный операционный усилитель, выход которого соединен с выходом устройства, первый, второй и третий последовательно соединенные резисторы, которые включены между выходом устройства и общей шиной источников питания, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой резисторы, а также первый и второй конденсаторы, каждый из которых содержит первый и второй выводы, причем общий узел первого и второго последовательно соединенных резисторов связан с инвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя. Кроме того, в схему введен дополнительный дифференциальный операционный усилитель, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные седьмой резистор и первый конденсатор, общий узел которых связан с выходом первого дифференциального операционного усилителя через дополнительный резистор, причем общий узел последовательно соединенных второго и третьего резисторов соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с общим узлом последовательно соединенных седьмого резистора и первого конденсатора, между входом устройства и выходом дополнительного дифференциального операционного усилителя включены последовательно соединенные четвертый и пятый резисторы, причем общий узел последовательно соединенных четвертого и пятого резисторов соединен с инвертирующим входом дополнительного дифференциального операционного усилителя и через восьмой резистор связан с инвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя, причем неинвертирующий вход дополнительного дифференциального операционного усилителя подключен к общей шине источников питания, а неинвертирущий вход первого операционного усилителя связан с общей шиной источников питания через шестой резистор. Кроме того, общий узел последовательно соединенных второго и третьего резисторов соединен с первым выводом второго конденсатора через дополнительный повторитель напряжения с высоким входным и низким выходным сопротивлением (см. патент РФ №2701038, МПК Н03Н 11/12, опубл. 24.09.2019, Бюл. №27), принятый за прототип.
Недостатком полосового фильтра, принятого за прототип, является отсутствие управления и перестройки полосы частот. Перестройка трех основных параметров амплитудно-частотной характеристики (частоты полюса, затухания полюса и коэффициента передачи в полосе пропускания) происходит только за счет изменения сопротивления резисторов в небольших пределах. Это ограничивает его широкое применение.
При разработке полосового фильтра была поставлена задача расширения функциональных возможностей фильтра и снижение шумовых сигналов верхних и нижних частот.
Поставленная задача решается за счет того, что полосовой фильтр с управляемой полосой пропускания, содержащий два операционных усилителя, выход первого операционного усилителя через первый резистор соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной источников питания, снабжено блоком управления и перестройки полосы частот, содержащим последовательно соединенные пиковый детектор, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления, цифровой сумматор, цифро-аналоговый преобразователь, компаратор, компьютер и подключенным первым входом пикового детектора к инвертирующему входу второго операционного усилителя и управляющими звеньями фильтров верхних и нижних частот, которые содержат параллельно включенные цепи, каждая из которых состоит из последовательно включенных резисторов и электронных ключей, при этом в управляющем звене фильтра верхних частот первые концы ключей соединены с первыми концами резисторов, а вторые концы ключей объединены и подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, вторые концы резисторов объединены и соединены с общей шиной, в управляющем звене фильтра нижних частот, один конец объединенных ключей соединен со вторым концом первого резистора, первый конец которого соединен с выходом первого операционного усилителя, а вторые концы ключей соединены с первыми концами последовательно включенных резисторов, вторые концы которых объединены и подключены к неинвертирующему входу второго операционного усилителя и первому концу первого конденсатора, второй конец которого соединен с общей шиной, к неинвертирующему входу первого операционного усилителя подключена цепь, состоящая из двух последовательно включенных конденсаторов, первый конец второго конденсатора соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, второй конец соединен с третьим конденсатором, первый конец которого соединен с двухпозиционным переключателем, узел соединения конденсаторов через второй резистор подключен к выходу первого операционного усилителя и его инвертирующему входу, который соединен с его выходом и первым концом первого резистора, четвертым конденсатором, первый конец которого соединен со вторым концом первого резистора и объединенными первыми концами ключей управляющего звена фильтра нижних частот, а второй конец- с выходом второго операционного усилителя и с его инвертирующим входом и первым входом пикового детектора, при этом выход пикового детектора соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя и неинвертирующим входом компаратора, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом устройства управления, два цифровых выхода которого соединены с цифровым сумматором, выход которого соединен с цифро-аналоговым преобразователем, аналоговый выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, выход которого соединен с первым входом устройства управления, второй вход устройства управления соединен с выходом компьютера, первый выход устройства управления связан со вторым входом пикового детектора, его второй выход - с входом компьютера, третий выход связан с управляющим входом двухпозиционного переключателя, первый вход которого соединен с общей шиной, второй вход соединен с входом полосового фильтра.
На чертеже представлена схема заявленного полосового фильтра с управляемой полосой пропускания.
Устройство содержит:
1, 2 - операционные усилители;
3 - первый резистор;
4 - пиковый детектор;
5 - аналого-цифровой преобразователь;
6 - устройство управления;
7 - цифровой сумматор;
8 - цифро-аналоговый преобразователь;
9 - компаратор;
10 - компьютер;
11 - резистор в управляющем звене фильтра верхних частот;
12 - управляемый ключ в управляющем звене фильтра верхних частот;
13 - общая шина источников питания;
14 - первый конденсатор, включенный между общей шиной и неинвертирующим входом второго операционного усилителя;
15, 16 - второй и третий конденсаторы в управляющем звене фильтра верхних частот;
17 - двухпозиционный переключатель;
18 - второй резистор, включенный между выходом управляющего звена фильтра верхних частот и узлом последовательного соединения конденсаторов 15, 16;
19 - резистор в управляющем звене фильтра нижних частот;
20 - управляемый ключ в управляющем звене фильтра нижних частот;
21 - четвертый конденсатор, включенный между выходом фильтра нижних частот и вторым концом первого резистора.
Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов:
1. Операционные усилители 1, 2 собраны на микросхемах AD8029 фирмы «Analog Devices».
2. Двухпозиционный переключатель 16 собран на реле РЭС79.
3. Аналоговый компаратор 9 собран на микросхеме LM311.
4. Пиковый детектор 4 собран по схеме, приведенной в книге (Гутников B.C. - Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988, с. 121, рис 4.3).
5. Цифро-аналоговый преобразователь 8 собран на микросхеме фирмы «Analog Devices» AD5450.
6. Устройство управления 6 и цифровой сумматор 7 выполнены на программируемой логической интегральной схеме ПЛИС фирмы «Altera» EP3C16F256C8.
7. Аналого-цифровой преобразователь 5 выполнен на микросхеме AD9649 фирмы «Analog Devices)).
Информация о микросхемах находится на официальных сайтах фирм Analog Devices, Altera, фирмы ALTERA -www.altera.ru; фирмы Analog Devices - www.ad.com.
Полосовой фильтр с управляемой полосой пропускания, содержит вход и выход устройства, два операционных усилителя 1, 2, выход первого операционного усилителя 1 через первый резистор 3 соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 2, блок управления и перестройки полосы частот, состоящий из последовательно соединенных пикового детектора 4, аналого-цифрового преобразователя 5, устройства управления 6, цифрового сумматора 7, цифро-аналогового преобразователя 8, компаратора 9, компьютера 10, при этом пиковый детектор 4 первым входом подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя 2, управляющее звено фильтра верхних частот, которое содержит параллельно включенную цепь, состоящую из последовательно включенных резисторов 11 и электронных ключей 12, первые концы ключей 12 соединены с первыми концами резисторов 11, а вторые концы ключей 12 объединены и подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 1, вторые концы резисторов 11 объединены и соединены с общей шиной 13, к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 1 подключена цепь, состоящая из двух последовательно включенных конденсаторов 15, 16, первый конец первого конденсатора 15 соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя 1, второй конец соединен со вторым конденсатором 16, первый конец которого соединен с двухпозиционным переключателем 17, а узел соединения конденсаторов через второй резистор 18 подключен к выходу первого операционного усилителя 1 и его инвертирующему входу, который соединен с его выходом и первым концом первого резистора 3, управляющее звено фильтра нижних частот, которое содержит параллельно включенную цепь, состоящую из последовательно включенных резисторов 19 и электронных ключей 20, первые концы ключей соединены с первыми концами резисторов 19, а вторые концы ключей объединены и соединены со вторым концом первого резистора 3 и через резисторы 19 подключены к неинвертирующему входу второго операционного усилителя 2 и первому концу первого конденсатора 14, второй конец которого соединен с общей шиной 13, четвертый конденсатор 21, первый конец четвертого конденсатора соединен со вторым концом первого резистора 3 и объединенными первыми концами ключей 20, второй конец четвертого конденсатора 21 соединен с выходом второго операционного усилителя 2, с его инвертирующим входом и первым входом пикового детектора 4, выход которого соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя 5 и неинвертирующим входом компаратора 9, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя 5 соединен с входом устройства управления 6, два цифровых выхода которого соединены с цифровым сумматором 7, выход которого соединен с цифро-аналоговым преобразователем 8, аналоговый выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора 9, выход которого соединен с первым входом устройства управления 6, второй вход устройства управления 6 соединен с выходом компьютера 10, первый выход устройства управления 6 связан со вторым входом пикового детектора 4, его второй выход - с входом компьютера 10, третий выход связан с управляющим входом двухпозиционного переключателя 17, первый вход которого соединен с общей шиной 13, второй вход соединен с входом полосового фильтра.
Устройство работает следующим образом.
1
1
1
n
Компьютер 10 по шине USB подает в устройство управления 6 команду на установку самой широкой полосы пропускания фильтра. При этом управляющий сигнал у устанавливается в положение логической единицы, остальные управляющие сигналы принимают уровень логического нуля. Управляющий сигнал у переключает ключи 12, 20 во всех параллельных звеньях фильтра, подключая соответствующие резисторы 11, 19 в схемы звеньев фильтров верхних и нижних частот. Номиналы резисторов 11, 19 подобраны так, чтобы обеспечить необходимую полосу частот. На управляющий вход двухпозиционного переключателя 17 устанавливается уровень логического нуля. При этом состояние двухпозиционного переключателя 17 соответствует положению, показанному на чертеже. Тем самым на вход управляемого полосового фильтра подается уровень напряжения общей шины 13, равный нулю. На выходе управляемого полосового фильтра устанавливается уровень сигнала, соответствующий внутренним собственным шумам фильтра. Затем компьютер 10 по шине USB подает в устройство управления 6 команду записи порогового значения, которое сохраняется в регистре устройства управления 6. После этого компьютер 10 по шине USB подает в устройство управления 6 команду на измерение собственного шума в заданной полосе частот. При этом на управляющий вход пикового детектора 4 подается на время измерения высокий логический уровень. На выходе пикового детектора 4 устанавливается уровень напряжения, соответствующий пиковому уровню собственного шума в заданной полосе частот. Это напряжение поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 5 для измерения. Перед окончанием времени измерения устройство управления 6 считывает значение кода измерения аналого-цифрового преобразователя 5 и сохраняет его во внутреннем регистре. По окончании времени измерения на выходе первой шины устройства управления 6 устанавливается кодовое значение напряжения собственного шума в заданной полосе частот. На второй выходной шине устройства управления 6 устанавливается кодовое значение порогового напряжения. Эти коды поступают на вход цифрового сумматора 7, на выходе которого устанавливается код суммы порогового напряжения и напряжения собственных шумов полосового фильтра. С выхода цифрового сумматора 7 код поступает на вход цифро-аналогового преобразователя 8, на выходе которого формируется напряжение, соответствующее максимально возможному для работы уровню шумов. Это напряжение поступает на инвертирующий вход компаратора напряжений 9. Затем компьютер 10 по шине USB подает в устройство управления 6 команду измерения рабочего шума в заданной полосе частот. На управляющий вход двухпозиционного переключателя 17 поступает уровень логической единицы. При этом двухпозиционный переключатель 17 переключается на вход полосового фильтра. На выходе полосового фильтра появляется сигнал, представляющий собой сумму внутренних шумов и шумов входного сигнала. Также на управляющий вход пикового детектора 4 с устройства управления 6 подается на время измерения высокий логический уровень. При этом на выходе пикового детектора 4 устанавливается уровень напряжения, соответствующий пиковому уровню рабочего шума в заданной полосе частот. Это напряжение подается на неинвертирующий вход компаратора напряжений 9, на выходе которого появляется значение логической единицы, если уровень шума превышает пороговое значение, и значение логического нуля, и если уровень шумов не превышает допустимого значения, то аналогичная процедура измерения шума производится для всех значений полос частот управляемого полосового фильтра. При этом на выходах y-y устанавливается соответствующий логический код. После всех процедур измерения для работы выбирается наиболее широкая полоса частот, при которой компаратор напряжений 9 выдает значение логического нуля.
Предлагаемый полосовой управляемый фильтр по сравнению с прототипом позволяет автоматически настраивать полосу пропускания. Кроме того, в предлагаемом полосовом фильтре имеется два звена фильтра: верхних и нижних частот. В предлагаемом фильтре исключаются шумовые сигналы в приемном тракте, программно перестраивается полоса частот и подавляются помехи. Кроме того, может быть n полос пропускания. В прототипе настройка на полосу пропускания осуществляется ручным подбором номиналов резисторов.