РЕГУЛИРУЕМЫЙ АКТИВНЫЙ РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР

Заявляемое устройство относится к приборостроению, а именно к частотно-избирательным средствам, и предназначено для использования в устройствах фильтрации сигналов от помех на фиксированных частотах, в частности сетевой частоты 50 или 60 Гц, а также в акустических системах для устранения акустической "завязки".
Известно, что режекторные фильтры широко применяются в системах связи, в различных измерительных приборах для соответствующей обработки сигналов.
Для режекторных фильтров требуется, чтобы на частоте режекции коэффициент передачи фильтра равнялся нулю. Для точной регулировки желательно иметь возможность подстройки величины коэффициента добротности независимо от величины коэффициента передачи.
Коэффициент передачи или передаточная функция фильтра являются основными характеристиками, отражающими способность фильтра к частотной селекции.
Для исходного режекторного фильтра, который является неинвертирующим симметричным режекторным фильтром второго порядка, (далее - исходный неинвертирующий РФ) передаточная функция имеет вид:
0
исх
РФ
РФ
где р=j* ω - оператор Лапласа, ω - текущая частота (независимая переменная, ω - круговая частота режекции, Q - коэффициент добротности исходного РФ, N(р) - числитель передаточной функции, D(р) - знаменатель передаточной функции.
При этом не учитывается, с помощью каких конкретно RC или LC звеньев обеспечивается селективность фильтра.
исх
0
2
1
2
1
Величина добротности Q=ω/(ω-ω) (ω и ω - частоты, на которых коэффициент передачи режекторного фильтра снижается на 3 дБ) характеризует селективные свойства режекторного фильтра, во многих случаях бывает недостаточна и требуется увеличение добротности режекторного фильтра.
Каскадное включение двух режекторных фильтров с одинаковой добротностью не позволяет увеличить добротность, поскольку дает результирующий режекторный фильтр с более низкой добротностью, чем исходный.
0
Из уровня техники известен режекторный фильтр с включением на вход исходного неинвертирующего РФ дополнительного корректирующего фильтра, являющегося амплитудным корректором и имеющим частоту подъема коэффициента усиления, совпадающего с частотой режекции (ω) (Справочник по расчету и проектированию ARC схем, М. Издательство «РиС», 1984, стр.42 и стр.327 и Кисель В.А. Аналоговые и цифровые корректоры. Справочник. М. «РиС», 1986, стр.19).
При каскадном (последовательном) включении дополнительного корректирующего фильтра (амплитудного корректора) с передаточной функцией (2) и исходного неинвертирующего РФ с передаточной функцией (1) происходит компенсация низко добротных полюсов знаменателя передаточной функции исходного неинвертирующего РФ (1) нулями числителя передаточной функции корректирующего фильтра. При этом полиномом знаменателя передаточной функции результирующего режекторного фильтра (3) становится полином знаменателя передаточной функции корректирующего фильтра, имеющего большую добротность, что и обеспечивает повышение добротности результирующего режекторного фильтра (Qнов).
Недостатком такого решения является необходимость использования дополнительных реактивных элементов в частотно- избирательных цепях корректирующего фильтра, что усложняет и удорожает режекторный фильтр. Кроме того, усложняется настройка величины добротности из-за необходимости регулировки большого числа элементов. В этом случае практически невозможно оперативно регулировать добротность режекторного фильтра.
Известны также режекторные фильтры, повышение величины добротности у которых достигается за счет введения в исходный РФ частотнонезависимой положительной обратной связи (ПОС) (Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров, М. «Мир», 1984, стр.175 и Активные избирательные устройства радиоаппаратуры, под ред В.В.Масленникова, М. «РиС», 1987, стр.28) в селективную цепь на основе Т- или 2Т-мостов.
Режекторный фильтр с 2Т-мостом и частотнонезависимым резистивным делителем (Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы, М. «Мир», 1988, стр.373) позволяет регулировать добротность, но компоненты 2Т-моста требуют тщательного подбора и поддержания точных значений номиналов резисторов и конденсаторов 2Т-моста, что усложняет и удорожает производство режекторного фильтра. Также, повышение добротности за счет введения фиксированной ПОС в частотноселективную цепь Т-моста не
позволяет регулировать добротность режекторного фильтра в процессе эксплуатации и повышает уровень шумов фильтра.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к предлагаемому режекторному фильтру является режекторный фильтр по патенту США №4 242 642 (МПК H 03 F 1/34, 1980).
1
2
3
Этот режекторный фильтр (фиг.1) содержит дифференциальный операционный усилитель (ОУ) 1, инвертирующий вход которого соединен с выходом резистивного делителя напряжения 2, а выход - с входом исходного неинвертирующего РФ 3. При этом инвертирующий вход дифференциального ОУ 1 через резистор 4 с сопротивлением R соединен с клеммой Uвх, предназначенной для подключения источника напряжения (на схеме не показан), а неинвертирующий вход дифференциального ОУ 1 и один вывод исходного неинвертирующего РФ 3 соединены с общим проводом (заземлением) 7. Резистивный делитель напряжения 2 образуется резистором 5 с сопротивлением R и резистором 6 с сопротивлением R, при чем их первые выводы соединены и являются выходом резистивного делителя напряжения 2, соединенного с инвертирующим входом дифференциального ОУ 1, второй вывод резистора 5 является первым выводом резистивного делителя напряжения 2 и соединен с выходом дифференциального ОУ 1, а второй вывод резистора 6 является вторым выводом резистивного делителя напряжения 2 и соединен с выходом исходного неинвертирующего РФ 3, то есть с выходом всего устройства.
Передаточная функция этого режекторного фильтра имеет вид:
где коэффициент передачи режекторного фильтра на постоянном токе или бесконечно большой частоте определяется отношением:
а добротность -
Достоинствами этого режекторного фильтра являются:
- исключение дополнительных реактивных элементов, усложняющих настройку фильтра,
- использование только отрицательной обратной связи для подстройки величины добротности в виде резистивного делителя,
- компенсирование влияния изменения величины добротности на общий коэффициент передачи фильтра.
Недостатками прототипа являются:
- трудности оперативной регулировки величины добротности;
- влияние регулировки величины добротности на величину коэффициента передачи на постоянном токе и бесконечно большой частоте;
- невозможность работы режекторного фильтра от источников напряжения с большим внутренним сопротивлением.
2
3
0
0
1
Из формул (5) и (6) следует что регулирование величины добротности Qнов, можно обеспечить путем изменения величины сопротивления R3 резистора 5 при фиксированном значении сопротивления R резистора 6. Однако варьирование величины R вызывает изменение величины коэффициента передачи всего фильтра на постоянном токе (или бесконечно большой частоте) k, что нежелательно и является недостатком схемы фильтра. Изменение коэффициента передачи k может быть скомпенсировано изменением величины сопротивлении R резистора 4, но данная операция требует наличия точно подобранных элементов (резисторов), а также итерационных процедур их настройки, что не позволяет оперативно регулировать величину добротности.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении оперативности подстройки добротности активного режекторного фильтра (неинвертирующего симметричного второго порядка) путем регулировки одного элемента; в исключении влияния изменения величины добротности
на коэффициент передачи фильтра; в уменьшении общего количества используемых в схеме элементов, что удешевляет устройство; в обеспечении работы фильтра от источников напряжения с различным выходным сопротивлением.
Для достижения этого технического результата предлагаемый регулируемый активный режекторный фильтр содержит дифференциальный ОУ, инвертирующий вход которого соединен с выходом резистивного делителя напряжения, а выход соединен с входом исходного неинвертирующего РФ, один вывод которого подсоединен к общему проводу (заземлению), первый вывод резистивного делителя напряжения соединен с выходом дифференциального ОУ, а второй вывод резистивного делителя напряжения соединен с выходом исходного неинвертирующего РФ, но при этом неинвертирующий вход дифференциального ОУ подсоединен к клемме, предназначенной для подключения источника напряжения, и является входом всего устройства, а резистивный делитель напряжения выполнен в виде потенциометра, у которого вывод движка является выходом резистивного делителя напряжения, а первый и второй выводы сопротивления потенциометра являются соответственно первым и вторым выводами резистивного делителя напряжения.
Предлагаемый регулируемый активный режекторный фильтр поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3, где на фиг.1 приведена схема режекторного фильтра, являющегося прототипом предлагаемого устройства, на фиг.2 - схема предлагаемого регулируемого активного режекторного фильтра, на фиг.3 - амплитудно частотные характеристики (АЧХ) регулируемого активного режекторного фильтра в различных точках схемы.
Регулируемый активный режекторный фильтр (фиг.2) содержит дифференциальный ОУ 1, инвертирующий вход которого соединен с выходом резистивного делителя напряжения 2. Неинвертирующий вход дифференциального ОУ 1 подсоединен к клемме Uвх, предназначенной для
подключения источника напряжения, и является входом всего устройства. Выход дифференциального ОУ 1 соединен с входом исходного неинвертирующего РФ 3, один вывод которого подсоединен к общему проводу (заземлению) 4. Резистивный делитель напряжения 2 включает потенциометр 5, у которого вывод движка является выходом резистивного делителя напряжения 2, а первый и второй выводы сопротивления потенциометра 5 являются соответственно первым и вторым выводами резистивного делителя напряжения 2, при этом первый вывод резистивного делителя напряжения 2 соединен с выходом дифференциального ОУ 1, а второй вывод резистивного делителя напряжения 2 соединен с выходом исходного неинвертирующего РФ 3, то есть с выходом всего устройства (Uвых).
Передаточная функция регулируемого активного режекторного фильтра получается следующим образом:
где
2
R - значение сопротивления плеча потенциометра 5, подключенного одним выводом (выводом движка) к инвертирующему входу дифференциального ОУ 1, а вторым выводом (первым выводом потенциометра 5) к выходу дифференциального ОУ 1,
3
R - значение сопротивления плеча потенциометра 5, подключенного одним выводом (выводом движка) к инвертирующему входу дифференциального ОУ 1, а вторым выводом (вторым выводом потенциометра 5) к выходу исходного неинвертирующего РФ 3,
2
3
R+R=Rпот - значение сопротивления всего потенциометра.
3
2
3
2
2
3
Обозначим β=R/(R+R), и (1-β)=R/(R+R), тогда имеем:
После подстановки введенных обозначений, в том числе из формул (1) и (6), получаем передаточную функцию регулируемого активного режекторного фильтра:
где
0
и k=+1
Из рассмотрения формул (9) и (10) можно сделать следующие выводы:
2
3
- добротность фильтра Qрф_нов зависит только от коэффициента β, то есть от величин сопротивлений плечей потенциометра 5 R и R, которые настраиваются регулировкой только положения движка потенциометра 5;
- коэффициент передачи на постоянном токе или бесконечно большой частоте постоянен и равен единице и не зависит от β, а значит и от величины сопротивления резистивного делителя напряжения 2, включенного в отрицательную обратную связь.
Важным достоинством регулируемого активного режекторного фильтра является высокое входное сопротивление, что позволяет работать фильтру с источниками напряжения с различным выходным сопротивлением без использования дополнительного развязывающего усилителя.
На фиг.3 показаны кривые АЧХ, которые иллюстрируют повышение добротности регулируемого активного режекторного фильтра в сравнении с добротностью исходного неинвертирующего РФ, обеспечиваемое в результате применения предложенного технического решения. На фиг.3 кривая 1 - АЧХ исходного неинвертирующего РФ, кривая 2 - АЧХ регулируемого активного режекторного фильтра, кривая 3 - АЧХ на выходе дифференциального ОУ.
Регулируемый активный режекторный фильтр работает следующим образом.
2
3
При нахождении движка потенциометра 5 в крайнем левом положении (фиг.2), когда R=0, а R=Rпот, имеем передачу дифференциального ОУ 1 равную единице от входа до выхода, (т.е. дифференциальный ОУ 1 работает в режиме повторителя напряжения за счет соединения выхода регулируемого активного режекторного фильтра с неинвертирующим входом дифференциального ОУ 1, и весь фильтр с учетом работы повторителя напряжения будет иметь добротность Орф_нов=Qисх.).
2
3
0
При перемещении движка к положению на середине потенциометра 5, т.е. R=R, тогда на частоте режекции ω, где передача исходного неинвертирующего РФ 3 равна нулю, коэффициент передачи сигнала с неинвертирующего входа на выход дифференциального ОУ 1 будет равен двум, т.е. на входе исходного неинвертирующего РФ 3 будет действовать удвоенное входное напряжение. Увеличение частотнозависимого напряжения на входе исходного неинвертирующего РФ 3 компенсирует снижение усиления исходного неинвертирующего РФ 3 за счет малого значения исходной величины его добротности Qисх, что приводит к увеличению добротности регулируемого активного режекторного фильтра Орф_нов.
0
При расстройке частоты источника напряжения от частоты режекции ω регулируемого активного режекторного фильтра в сторону снижения, на выходе всего фильтра будет появляться напряжение с фазовым сдвигом в
0
сторону отставания, или в сторону опережения в случае отклонения частоты в сторону повышения (фиг.3). При большом отклонении частоты источника напряжения от значения ω в сторону понижения или повышения сдвиг фазы выходного напряжения относительно входного напряжения становится равной нулю. Можно считать, что выходное напряжение будет синфазно входному: на первом выводе потенциометра 5 будет появляться напряжение в той же фазе, что и на втором выводе, причем равное по амплитуде, следовательно, ток через потенциометр 5 протекать не будет. В результате на всех трех выводах потенциометра 5 появится входное напряжение, вследствие виртуального нуля напряжения между входами дифференциального ОУ 1. Из этого следует, что коэффициент передачи будет равен единице, а перемещение движка потенциометра 5 на частотах, достаточно удаленных от частоты режекции не влияет на величину передачи регулируемого активного режекторного фильтра.