Способ контроля амплитудно-частотной характеристики фильтра
METHOD FOR MONITORING AMPLITUDE-FREQUENCY CHARACTERISTIC OF FILTER

Область техники
Изобретение относится к области контроля параметров частотного фильтра электрического сигнала. В частности, способ предназначен для производственного контроля соответствия монотонной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) полосового фильтра требованиям конструкторской документации (КД).
Уровень техники
Известен способ определения АЧХ, который заключается в подаче синусоидального сигнала постоянной амплитуды на вход фильтра, частота которого меняется оператором и соответствующим измерением напряжения на выходе фильтра [1]. Далее сопоставляют результат полученной АЧХ с производственным допуском согласно требованиям КД.
Недостатком данного способа является повышенная трудоемкость и существенные затраты времени.
Известен способ определения частотной характеристики объекта регулирования в процессе его нормального регулирования [2]. Способ заключается в следующем. Ко входу и выходу объекта (исследуемого фильтра) подключают консервативные фильтры для выделения скрытых периодичностей в требуемом диапазоне частот. В результате на выходах этих фильтров получают одновременно синусоидальные сигналы, отношение амплитуд которых дает значение амплитудно-частотной характеристики. Далее, как общеизвестно и соответственно в работе [2] не отмечено, сопоставляют результат полученной АЧХ с производственным допуском согласно требованиям КД.
Способ обеспечивает контроль характеристики объекта с малыми временными затратами. Недостатком его являются усложнение объекта регулирования за счет введения консервативных фильтров и ограниченность применения для источников входного сигнала, спектр частот которого содержит скрытые периодичности, обеспечивающие определение частотной характеристики.
m
m
ф
ф
m
0,7
0,7
Известен способ контроля частотной характеристики фильтра, представленный в описании функционирования устройства - измеритель частотных характеристик [3], который наиболее близок по технической сущности к предлагаемому и выбран в качестве прототипа. Способ заключается в изменении частоты генератора входного сигнала фильтра по линейному пилообразному закону с постоянной амплитудой и диапазоном изменения частоты, перекрывающим полосу пропускания исследуемого фильтра. При этом после запуска генератора на участке увеличения частоты измеряют максимальное выходное напряжение U исследуемого фильтра, которое соответствует резонансной частоте исследуемого фильтра. Значение U вносят в память устройства. На следующем участке с уменьшением частоты генератора измеряют выходное напряжение U исследуемого фильтра и измеряют время Δt между дважды фиксируемыми значениями U=0,707*U, которое соответствует ширине полосы пропускания П исследуемого фильтра. При этом частоты генератора в момент начала измерения времени и его окончания соответствуют верхней и нижней частотам полосы пропускания исследуемого фильтра. Полосу пропускания рассчитывают по формуле: П=Δt⋅df/dt, где df/dt - скорость изменения частоты генератора входного сигнала фильтра.
Способ обеспечивает контроль монотонной АЧХ фильтра. Недостатком его являются существенные затраты времени, обусловленные необходимостью непрерывного изменения частоты входного сигнала фильтра, по крайней мере, на первом и втором участках линейного изменения частоты генератора. Другим недостатком является необходимость применения дорогостоящего генератора качающейся частоты (ГКЧ) с линейным законом изменения частоты и стабильной амплитудой выходного сигнала во всем диапазоне частот исследования АЧХ фильтра. При этом способ требует применения на производстве специального рабочего места с ГКЧ и рядом специальных устройств для осуществления вспомогательных операций. Это не позволяет использовать способ для контроля АЧХ фильтра ряда изделий на удаленных объектах собственными средствами изделия. Третьим недостатком является недостаточная информативность, вследствие чего в эксплуатацию может поступить фильтр с недопустимым коэффициентом передачи на резонансной частоте или с недопустимой резонансной частотой.
Целью предполагаемого изобретения является упрощение, сокращение времени контроля, расширение функциональных возможностей, повышение информативности при контроле монотонной АЧХ полосового фильтра в условиях априорно известного эталона - АЧХ идеального фильтра.
Сущность изобретения
В предлагаемом способе для контроля АЧХ фильтра в процессе его изготовления используются критерии симметричности АЧХ на уровне 0,707 и величины коэффициента передачи. Для реализации способа изменяют частоту входного сигнала фильтра путем установки трех априорно известных фиксированных значений в любой временной последовательности, частоту одного сигнала устанавливают равной резонансной частоте идеального фильтра, частоты двух других сигналов устанавливают равными боковым частотам, которые определяют полосу пропускания АЧХ идеального фильтра, по данным измерений вычисляют относительные коэффициенты передачи фильтра при боковых частотах входного сигнала, вычисляют величину их отличия от первого производственного допуска, вычисляют коэффициент передачи фильтра при частоте входного сигнала равной резонансной частоте идеального фильтра, сравнивают величину отличия вычисленного коэффициента передачи фильтра от коэффициента передачи на резонансной частоте идеального фильтра, результат отличия сравнивают со вторым производственным допуском.
в
н
p
в
н
0,7
p
в
н
в
н
p
Контроль АЧХ фильтра осуществляется следующим образом. На вход исследуемого фильтра последовательно подают сигналы постоянной амплитуды с тремя значениями фиксированных частот f, f, f, где разность f, - f = П определяет ширину полосы пропускания на уровне 0,707 нормированной априорно известной АЧХ (используемой в качестве эталона) идеального фильтра, f - резонансная частота идеального фильтра, f - значение большей частоты, f - значение меньшей частоты. При этом измеряют значения выходного напряжения U(f), U(f), U(f) исследуемого фильтра. Далее производят расчет согласно выражениям:
1
где  и  - относительные коэффициенты передачи фильтра, Δ - первый производственный допуск по КД,  - результат расчета. Данная процедура соответствует определению симметричности АЧХ. Дополнительно производят расчет по формуле:
p
s
p
s
p
2
1
2
где U(f)/U(f)* - расчетный коэффициент передачи идеального фильтра, U(f) - значение амплитуды входного сигнала фильтра, Δ - второй производственный допуск по КД,  - результат расчета. Уровень входного сигнала постоянной амплитуды соответствует линейному режиму работы фильтра. При соответствии полученных значений ,  требованиям КД Δ и Δ по приведенным выше формулам фильтр допускается в эксплуатацию.
Расширение функциональных возможностей способа иллюстрируется устройством - фиг. 1, где последовательно соединены источник сигнала сложного частотного спектра 1, фильтр 2, измеритель напряжения 3, вычислительно-управляющее устройство 4, первый выход которого соединен с магистралью приема-передачи данных 5. Второй выход вычислительно-управляющего устройства 4 соединен с входом источника сигнала сложного частотного спектра 1. В частности, устройство фиг.1 отображает простейшую структуру магнитометра. Источником сигнала сложного частотного спектра 1 в этом случае является феррозонд, связь между вычислительно-управляющим устройством 4 и феррозондом 1 отображает цепь возбуждения феррозонда. При поступлении по магистрали приема-передачи данных 5 от внешнего устройства команды изменения алгоритма устройства от функционирования в режиме магнитометра на режим контроля АЧХ фильтра программное обеспечение вычислительно-управляющего устройства 4 обеспечивает изменение частоты возбуждения феррозонда 1 и измерение выходного напряжения фильтра 2 в соответствии с описанным выше способом с последующими вычислениями. Подразумевается, что магнитное поле в зоне расположения феррозонда есть величина постоянная, обеспечивающая необходимый уровень входного сигнала феррозонда 1. Необходимые для расчета const внесены в память вычислительно-управляющего устройства 4 на этапе его изготовления. Результат контроля, как одна из составляющих диагностики магнитометра, передается по магистрали приема-передачи данных 5 во внешнее устройство, например, удаленное от магнитометра. Таким образом, способ обеспечивает возможность контроля АЧХ фильтра в ряде случаев собственными средствами устройств, что существенно для удаленных объектов.
Литература
1. А.Н. Карев, Способы построения измерителей АЧХ / Международный научный журнал «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12-2/2016.
2. Способ определения частотной характеристики объекта регулирования в процессе его нормального функционирования. Авт. св. СССР №186546, МПК G05f, 1966 г.
3. Измеритель частотных характеристик. Авт. св. СССР №1798721, МПК G01R 23/14, 1990 г.