МНОГОДИАПАЗОННЫЙ АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к радиотехнике и предназначено для использования в аппаратуре различного назначения.
Известно устройство, позволяющее осуществлять фильтрацию в нескольких поддиапазонах (см. «Активные фильтры на современном этапе», Риземан М., Электроника, 1977, т.50, №11, с.50, рис.5). Оно содержит последовательное включенные активные фильтры верхних и нижних частот, реализующие совместно полосовой фильтр. Параллельное включение некоторого числа таких полосовых фильтров позволяет реализовать на их выходах фильтрацию сигнала в нескольких частотных поддиапазонах.
Недостатками такого устройства являются неточное сопряжение частотных границ поддиапазонов, что вынуждает прибегать к перекрытию частотных границ вследствие возможной потери информации, а также большое число RC звеньев активных фильтров верхних и нижних частот, подлежащих настройке.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее последовательно включенные универсальные активные фильтры с обратными связями, построенные по методу переменных состояний (см. Л.П.Хьюлсмак, Ф.Е.Аллен «Введение в теорию и расчет активных фильтров»: - М. Радио и связь, 1984, с.200, рис.5.2)
В каждом универсальном фильтре на отдельных его входах реализуется передаточные функции фильтра нижних и фильтра верхних частот, частотные границы которых определяются одним и тем же RC - элементами, входящими в узлы универсального фильтра. Последовательное включение универсальных активных фильтров позволяет реализовать многодиапазонный фильтр с сопряженными границами соседних поддиапазонов.
Недостатками этого устройства являются невозможность получения фильтра высокого порядка и невозможность получения независимой фазовой характеристики вследствие возникающей неустойчивости при порядке фильтра
выше второго или в случае содержания в фильтре неминимально-фазовых звеньев, обеспечивающих независимость амплитудных и фазовых частотных характеристик.
Целью предлагаемой полезной модели является упрощение сопряжения частотных границ соседних поддиапазонов, уменьшение числа настраиваемых RC элементов, получение произвольной не связанной с амплитудно-частотной фазовой характеристики и обеспечение устойчивости многодиапазонного фильтра высокого порядка.
Поставленная цель достигается тем, что многодиапазонный активный фильтр, содержащий последовательно включенные по мере нарастания (уменьшения) граничных частот активные многозвенные фильтры верхних (нижних) частот, снабжен сумматорами по числу поддиапазонов, входы каждого сумматора соединены со входом и выходами звеньев соответствующего активного фильтра, а выходы - являются выходами поддиапазонов многодиапазонного активного фильтра.
Существенным отличием предлагаемого устройства является введение в него сумматоров, причем входы каждого сумматора соединены со входом и выходами звеньев соответствующего активного многозвенного фильтра верхних (нижних) частот. При таком соединении исключается возможность возникновения обратных связей через сумматор между звеньями активного многозвенного фильтра высокого порядка, что обеспечивает сохранение устойчивости этого фильтра с подключенными сумматорами. Характеристическое же уравнение передаточной функции сумматора совместно с фильтром определяется характеристическим уравнением того же многозвенного фильтра, что позволяет уменьшить по крайней мере вдвое число RC - элементов, подлежащих настройки и упростить сопряжение частотных границ поддиапазонов. Так как передаточная функция сумматора определяется независимыми коэффициентами суммирования, это позволяет получить произвольную фазочастотную характеристику фильтра на выходе сумматора вследствие возможности реализации неминимально-фазовой передаточной функции.
На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 - его амплитудно-частотная характеристика.
1
N
1
N
Устройство содержит активные многозвенные фильтры верхних частот и 1,...,1, соединенные последовательно. Каждый фильтр состоит из отдельных звеньев, в частности, звена первого порядка с выходом 1.1 и звена второго порядка с выходами 1.2 и 1.3. Кроме того, устройство так же содержит соответствующие каждому фильтру верхних частот сумматоры 2,...,2, причем входы каждого сумматора соединены с входом и выходами звеньев соответствующего активного фильтр, а выходы этих сумматоров являются выходами поддиапазонов многодиапазонного активного фильтра.
1
1
c1
c1
1
2
N
2
N
1
1
Примером конкретной реализации одного диапазона устройства являются функциональные схемы трехзвенного фильтра верхних частот и сумматора, соответственно отображающие внутреннюю структуру фильтра 1 и сумматора 2. На выходе 1 формируется первый поддиапазон интервала частот 0-f, отображенный на фиг.2. Граница второго поддиапазона с нижней частотой среза f формируется тем же фильтром верхних частот 1. Реализация фильтров 1,...,1 и сумматоров 2,...,2 аналогично реализации 1 и 2, соответственно и может отличаться лишь количеством звеньев и их структуры.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
1
1
На входах сумматора 2 в соответствии со структурой фильтра 1 реализуется передаточные функции:
где
1
Q=1+pa,
2
1
2
Q=1+pb+p
1
2
a, b - коэффициенты полиномов Q, Q.
1
1
2
3
На выходе сумматора 2 в зависимости от весовых коэффициентов k, k, k формируется передаточная функция фильтра низких частот:
В частном случае фильтра Чебышева при P(p)=1 можно определить весовые коэффициенты из системы уравнений:
1
1
1
1
2
1
с1
1
1
1
1
1
1
Система уравнений может быть продолжена для любого числа звеньев фильтра 1, и любого значения P(p), в том числе с нулями в правой p-полуплоскости. Характеристическое уравнение передач на выходе фильтра 1 и на выходе сумматора 2 одно и тоже, и равно Q,Q. Оно определяется одними и теми же постоянными времени звеньев фильтра 1, что упрощает сопряжение поддиапазонов на частоте среза f и дает возможность уменьшить число настраиваемых звеньев фильтров, так как фильтр нижних частот в явном виде отсутствует. Кроме того отсутствуют обратные связи между звеньями фильтра 1 через сумматор 2 (в реализации фиг.1 выходы 1.1, 1.2 коротко замкнуты по инвертирующему входу усилителя К, а передача по выходу 1.3 коротко замкнута по входу устройства), что обеспечивает устойчивость фильтра 1 при любом его порядке: подключение сумматора 2 на изменяет характеристическое уравнение фильтра 1. Это позволяет использовать фильтры высокого порядка, и дает возможность получения произвольной фазовой характеристики на выходе сумматора 2 путем изменения весовых коэффициентов суммирования k.
Использование полезной модели позволяет упростить сопряжение частотных границ поддиапазонов, уменьшить число настраиваемых RC элементов, обеспечить получение произвольной фазочастотной характеристики и обеспечить устойчивость устройства.