РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР

Заявляемая полезная модель относится к электронике, электроакустике, радиотехнике и предназначена для устранения одночастотных помех в различном радиоэлектронном оборудовании, в том числе медицинского назначения.
Режекторные фильтры имеют максимум подавления на резонансной частоте, ослабляя в некоторой степени и частоты в «окрестности» резонанса. В настоящее время разработано и описано множество схем режекторных фильтров, однако далеко не все из них позволяют регулировать свою резонансную частоту одним резистором независимо от добротности и коэффициента усиления.
Известна схема режекторного фильтра с двумя Т-образными мостами [Analog Filters / Basic Linear Design. Zumbahlen H., ed. // Analog Devices, 2007, p. 8.81, ISBN-0-916550-28-1]. Данная схема содержит два операционных усилителя (ОУ), пять резисторов и три конденсатора. Входом фильтра является первый вывод первого резистора, который подключен к первому выводу первого конденсатора. Второй вывод первого резистора и первый вывод второго резистора подключен к первому выводу третьего конденсатора. Второй вывод первого конденсатора подключен ко второму выводу третьего резистора и первому выводу второго конденсатора. Второй вывод второго конденсатора и второй вывод второго резистора подключен к неинвертирующему входу первого ОУ. Первый вывод третьего резистора и второй вывод третьего конденсатора подключен к выходу второго ОУ. Первый вывод четвертого резистора подключен к выходу первого ОУ. Выход первого ОУ является выходом фильтра. Второй вывод четвертого резистора и первый вывод пятого резистора подключен к неинвертирующему входу второго ОУ. Второй вывод пятого резистора подключен к общей шине. Выход первого ОУ соединен с инвертирующим входом первого ОУ. Выход второго ОУ соединен с инвертирующим входом второго ОУ.
Недостатком технического решения режекторного фильтра с двумя Т-образными мостами является сложность регулировки частоты режекции: необходимо одновременно изменять сопротивления трех резисторов.
Известна схема режектороного фильтра с двумя цепями обратной связи, отличающаяся низкой чувствительностью к «точности» номиналов пассивных компонентов [Active Filter Has Stable Notch and Response Can be Regulated / J.R. Bainter // Electronics October 2, 1975, Р. 115-117]. Данная схема содержит один инвертирующий усилитель, один неинвертирующий усилитель, один ОУ, четыре резистора и два конденсатора. Входом фильтра является вход инвертирующего усилителя, подключенный к первому выводу второго конденсатора. Первый вывод первого резистора подключен к выходу инвертирующего усилителя. Первый вывод второго резистора соединен со вторым выводом первого резистора, первым выводом первого конденсатора и инвертирующим входом ОУ. Неинвертирующий вход ОУ подключен к общей шине. Второй вывод второго резистора подключен к выходу неинвертирующего усилителя. Первый вывод третьего резистора подключен ко второму выводу первого конденсатора, а также к выходу ОУ. Второй вывод третьего резистора подключен к входу неинвертирующего усилителя, ко второму выводу второго конденсатора и к первому выводу четвертого резистора. Второй вывод четвертого резистора подключен к общей шине. Выход неинвертирующего усилителя является выходом фильтра.
Недостатком технического решения режекторного фильтра с двумя цепями обратной связи является невозможность перестройки центральной частоты без изменения добротности и коэффициента усиления фильтра.
Известна схема перестраиваемого активного RC-фильтра, предоставляющая возможность независимой друг от друга регулировки трех параметров: резонансной частоты, добротности и коэффициента усиления [Патент на полезную модель RU 149838U1, заявка №2014130481/08, 22.07.2014]. Перестраиваемый активный RC-фильтр содержит четыре ОУ, восемь резисторов, один потенциометр и два конденсатора. Сопротивления третьего и пятого резистора можно регулировать. Входом фильтра является первый вывод третьего резистора. Первый вывод первого резистора подключен к выходу первого ОУ и ко второму выводу потенциометра. Второй вывод первого резистора и первый вывод первого конденсатора подключен к инвертирующему входу второго ОУ. Второй вывод первого конденсатора подключен к выходу второго ОУ, к первому выводу второго резистора, ко второму выводу шестого резистора и к первому выводу седьмого резистора. Второй вывод второго резистора подключен к первому выводу второго конденсатора и к инвертирующему входу третьего ОУ. Второй вывод второго конденсатора подключен к первому выводу потенциометра и к выходу третьего ОУ. Первый вывод третьего резистора подключен ко второму выводу пятого резистора, а также к неинвертирующим входам второго, третьего и четвертого ОУ. Второй вывод третьего резистора подключен к отводящему контакту потенциометра и к инвертирующему входу первого ОУ. Второй вывод четвертого резистора подключен к «земле» схемы, а его первый вывод - к неинвертирующему входу первого ОУ, к первому выводу пятого резистора и к первому выводу шестого резистора. Второй вывод седьмого резистора подключен к первому выводу восьмого резистора и к инвертирующему входу четвертого ОУ. Второй вывод восьмого резистора подключен к выходу четвертого ОУ. Выходом фильтра является выход четвертого ОУ.
Недостатком технического решения перестраиваемого активного RC-фильтра является отсутствие информации о зависимости глубины режекции на резонансной частоте фильтра от величин допустимого отклонения от номинала пассивных компонентов схемы (резисторов и конденсаторов).
Наиболее близким по технической сущности прототипом режекторного фильтра является режекторный фильтр с настраиваемыми параметрами [Режекторный фильтр с настраиваемыми параметрами / В.А. Симон, В.А. Герасимов, Д.К. Кострин [и др.] // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2017. №5. С. 3-9]. Данный фильтр (фиг. 1) содержит четыре ОУ, десять резисторов (5, 6, 7, 8, 12, 13, 14, 15, 16, 17), один потенциометр 11 и два конденсатора 9, 10. Входом фильтра является первый вывод первого резистора, подключенный к первому выводу первого конденсатора и второму выводу восьмого резистора. Второй вывод первого резистора подключен к первому выводу второго резистора и к инвертирующему входу первого ОУ. Второй вывод второго резистора, первый вывод третьего резистора и первый вывод второго конденсатора подключен к выходу первого ОУ. Второй вывод третьего резистора и первый вывод четвертого резистора подключен к инвертирующему входу второго ОУ. Первый вывод пятого резистора подключен ко второму выводу потенциометра и одновременно к отводу потенциометра. Первый вывод потенциометра и второй вывод первого конденсатора подключен к неинвертирующему входу первого ОУ. Второй вывод пятого резистора, второй вывод шестого резистора и инвертирующий вход четвертого ОУ подключен к выходу четвертого ОУ. Первый вывод шестого резистора и второй вывод второго конденсатора подключен к неинвертирующему входу второго ОУ. Второй вывод четвертого резистора и первый вывод седьмого резистора подключен к выходу второго ОУ. Второй вывод седьмого резистора и первый вывод восьмого резистора подключен к неинвертирующему входу третьего ОУ. Первый вывод девятого резистора и инвертирующий вход третьего ОУ подключен к выходу третьего ОУ. Второй вывод девятого резистора и первый вывод десятого резистора подключен к неинвертирующему входу четвертого ОУ. Второй вывод десятого резистора подключен к общей шине. Выход третьего ОУ является выходом фильтра.
Недостатком технического решения режекторного фильтра с настраиваемыми параметрами является невозможность регулировки коэффициента передачи фильтра, отсутствие узла схемы, в котором возможна регистрация удаленных из сигнала гармоник, а также наличие зависимости глубины подавления на резонансной частоте фильтра от точности подгонки сопротивлений резисторов 14 и 15 друг к другу.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей фильтра, позволяющих получить технический результат, заключающийся в возможности изменения коэффициента передачи фильтра, в наличии отдельных выходов для отфильтрованного сигнала и для полосы частот, которая была «вырезана» из исходного сигнала, а также в повышении глубины подавления на резонансной частоте фильтра.
Для достижения указанного технического результата в заявляемой полезной модели, содержащей первый, второй, третий и четвертый операционные усилители (ОУ), десять резисторов, два конденсатора, один потенциометр, вход фильтра соединен с первым выводом первого резистора, который соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и с инвертирующим входом первого ОУ, второй вывод второго резистора соединен с первым выводом третьего резистора, с первым выводом второго конденсатора и с выходом первого ОУ, второй вывод третьего резистора соединен с первым выводом четвертого резистора, а также с инвертирующим входом второго ОУ, второй вывод четвертого резистора соединен с выходом второго ОУ, первый вывод пятого резистора подключен к первому выводу потенциометра и к отводу потенциометра, второй вывод потенциометра подключен ко второму выводу первого конденсатора и к неинвертирующему входу первого ОУ, первый вывод шестого резистора подключен ко второму выводу второго конденсатора и к неинвертирующему входу второго ОУ, второй вывод пятого резистора подключен ко второму выводу шестого резистора, а также к выходу четвертого ОУ, соединенному с инвертирующим входом четвертого ОУ, первый вывод седьмого резистора подключен к первому выводу восьмого резистора, первый вывод девятого резистора подключен к первому выводу десятого резистора, а также к неинвертирующему входу четвертого ОУ, второй вывод десятого резистора подключен к общей шине фильтра, выход третьего ОУ является I выходом фильтра, дополнительно введены дифференциальный усилитель и инструментальный усилитель, при этом второй вывод седьмого резистора подключен к выходу третьего ОУ, первый вывод седьмого резистора подключен к инвертирующему входу третьего ОУ, второй вывод восьмого резистора подключен к общей шине фильтра, второй вывод девятого резистора подключен к неинвертирующему входу третьего ОУ, неинвертирующий вход дифференциального усилителя и неинвертирующий вход инструментального усилителя подключены к входу фильтра, к первому выводу первого резистора и к первому выводу первого конденсатора, инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к выходу второго ОУ и ко второму выводу четвертого резистора, выход дифференциального усилителя подключен к инвертирующему входу инструментального усилителя, выход инструментального усилителя подключен к неинвертирующему входу третьего ОУ и к первому выводу девятого резистора, а выход дифференциального усилителя является II выходом фильтра.
y
4
Возможность достижения указанного технического результата обусловлена следующими факторами: во-первых, наличием третьего ОУ, являющегося оконечным неинвертирующим усилителем, а также седьмого и восьмого резисторов, отношение сопротивлений которых определяет коэффициент усиления фильтра (К); во-вторых, использованием дифференциального усилителя и инструментального усилителя с коэффициентом подавления синфазной помехи не менее 10, что позволяет увеличить глубину подавления на резонансной частоте режекторного фильтра.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется на следующих фигурах: на фиг. 1 - схема прототипа режекторного фильтра, на фиг. 2 - схема заявляемого режекторного фильтра.
Заявляемая полезная модель (фиг. 2) содержит первый, второй, третий и четвертый ОУ, десять резисторов, два конденсатора, один потенциометр, входной сигнал подается на первый вывод первого резистора 5, который соединен с первым выводом первого конденсатора 9, второй вывод первого резистора 5 соединен с первым выводом второго резистора бис инвертирующим входом первого ОУ 1, второй вывод второго резистора 6 соединен с первым выводом третьего резистора 7, с первым выводом второго конденсатора 10 и с выходом первого ОУ 1, второй вывод третьего резистора 7 соединен с первым выводом четвертого резистора 8, а также с инвертирующим входом второго ОУ 2, второй вывод четвертого резистора 8 соединен с выходом второго ОУ 2, первый вывод пятого резистора 12 подключен к первому выводу потенциометра 11 и к отводу потенциометра 11, второй вывод потенциометра 11 подключен ко второму выводу первого конденсатора 9 и к неинвертирующему входу первого ОУ 1, первый вывод шестого резистора 13 подключен ко второму выводу второго конденсатора 10 и к неинвертирующему входу второго ОУ 2, второй вывод пятого резистора 12 подключен ко второму выводу шестого резистора 13, а также к выходу четвертого ОУ 4, соединенному с инвертирующим входом четвертого ОУ 4, первый вывод седьмого резистора 14 подключен к выходу третьего ОУ 3, второй вывод седьмого резистора 14 подключен к первому выводу восьмого резистора 15, а также к инвертирующему входу третьего ОУ 3, второй вывод восьмого резистора 15 подключен к общей шине, первый вывод девятого резистора 16 подключен к неинвертирующему входу третьего ОУ 3, второй вывод девятого резистора 16 подключен к первому выводу десятого резистора 17, а также к неинвертирующему входу четвертого ОУ 4, второй вывод десятого резистора 17 подключен к общей шине, дополнительно введен дифференциальный усилитель 18 и инструментальный усилитель 19, при этом неинвертирующий вход дифференциального усилителя 18 и неинвертирующий вход инструментального усилителя 19 подключены к входу схемы, к первому выводу первого резистора 5 и к первому выводу первого конденсатора 9, инвертирующий вход дифференциального усилителя 18 подключен к выходу второго ОУ 2 и ко второму выводу четвертого резистора 8, выход дифференциального усилителя 18 подключен к инвертирующему входу инструментального усилителя 19, выход инструментального усилителя 19 подключен к неинвертирующему входу третьего ОУ 3 и к первому выводу девятого резистора 16, выходной сигнал фильтра формируется на выходе третьего ОУ 3, выходом I режекторного фильтра является выход третьего ОУ 3, а выходом II является выход дифференциального усилителя.
0
5
ПТЦ
1
6
2
ПТЦ
0
у
y
7
8
0
10
9
10
0
0
10
9
10
-1
-1/2
-1
Заявляемый режекторный фильтр работает следующим образом. Входной сигнал поступает на фазовые фильтры, собранные на основе первого и второго ОУ 1 и 2. При этом фаза сигнала изменяется таким образом, что на резонансной частоте режектороного фильтра ƒ=(2π)((R+R)СRС), где R - сопротивление потенциометра с учетом текущего положения его отводящего контакта, фазовый сдвиг составляет 180°. Дифференциальный усилитель 18 вычитает сигнал с измененной фазой из входного сигнала и уменьшает полученную разность в два раза (коэффициент усиления ). Таким образом, на выходе ДУ 18 формируется сигнал, содержащий «вырезанные» гармоники в окрестности резонансной частоты фильтра ƒ. Затем инструментальный усилитель 19 с единичным К вычитает «вырезанные» гармоники из спектра исходного сигнала, осуществляя таким способом фильтрацию. Оконечный неинвертирующий усилитель, содержащий третий ОУ 3, седьмой и восьмой резисторы 14 и 15, увеличивает амплитуду сигнала, прошедшего фильтрацию, в К=1+R/R раз. Цепь обратной связи, состоящая из четвертого ОУ 4, девятого и десятого резисторов 16 и 17, предназначена для регулировки ширины полосы подавления Δƒ и добротности Q=ƒ/Δƒ фильтра путем установки глубины обратной связи d от 0 до 100%: Q=0.5/(1-d)=0.5(1-R/(R+R)); Δƒ=ƒ/Q=2ƒ(1-R/(R+R)).
Регулировка резонансной частоты фильтра осуществляется потенциометром 11. Ширина полосы подавления определяется отношением сопротивлений девятого и десятого резисторов 16 и 17. Для максимизации глубины подавления фильтра необходимо, чтобы первый, второй, третий и четвертый резисторы 5 и 6, 7 и 8 были попарно подогнаны друг к другу; наилучшим решением является использование промышленно изготовленных резистивных сборок, в каждой из которых содержится по два резистора с сопротивлениями, отличающимися не более чем на 0.01%. Первый и второй конденсаторы 9 и 10 должны быть металлопленочными или изготовленными из керамики типа NP0 с допустимым отклонением от номинала не более 1%.
Заявляемое техническое решение позволяет получать увеличенную по сравнению с прототипом глубину подавления на резонансной частоте фильтра, позволяет задавать требуемый коэффициент передачи фильтра, имеет отдельные выходы для отфильтрованного сигнала и для полосы частот, «вырезанной» из исходного сигнала, сохраняя при этом возможность установки требуемой добротности и регулировки резонансной частоты.