ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ RC-ФИЛЬТР С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ВХОДОМ
WIDEBAND SELECTIVE RC-FILTER WITH DIFFERENTIAL INPUT

Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники, и может использоваться в составе электро-механических систем балансировки роторов.
Известны электро-механические системы балансировочной техники [1] и вибрационной диагностики машин [2-4], в том числе роторных [5]. Устройства данного класса содержат датчики вибросигналов, как правило пьезоэлектрические, и согласующий электронный блок, включающий фильтры низких и высоких частот.
В качестве согласующего блока современных устройств вибродиагностики применяют различные комбинации фильтров низких и высоких частот, в том числе зарядочувствительные усилители, обеспечивающие выделение спектра полезного сигнала до его обработки аналого-цифровым преобразователем [1-27].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является схема фильтра, описанная в статье фирмы Texas Instruments [Bruce Carter. A Differential Op-Amp Circuit Collection. Application Report SLOA064A – April 2003. P.6, fig. 6. URL: https://www.fmf.uni-lj.si/~ponikvar/PDFji/A%20Differential%20Op-Amp%20Circuit%20Collection%20-%20sloa064a.pdf]. Она содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 дифференциальные входы устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные выходы устройства, выходной 5 операционный усилитель с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами, причём его неинвертирующий выход соединён с первым 3 выходом устройства, а инвертирующий выход соединен со вторым 4 выходом устройства, первый 6, второй 7 и третий 8 частотозадающие резисторы, первый 9, второй 10, третий 11, четвертый 12, пятый 13 и шестой 14 частотозадающие конденсаторы.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что при его реализации не обеспечивается высокое ослабление паразитных сигналов за пределами полосы частот полезного сигнала. Это отрицательно сказывается на метрологических характеристиках, например, электро-механических устройств для балансировки роторов [1,5].
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в увеличении гарантированного затухания амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) активного RC-фильтра для обработки пьезоэлектрических сигналов датчиков  за пределами полосы пропускания полезного сигнала, что обеспечивается за счет симметричного дифференциального входа.
Поставленная задача достигается тем, что в RC-фильтре, содержащем первый 1 и второй 2 дифференциальные входы устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные выходы устройства, выходной 5 операционный усилитель с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами, причём его неинвертирующий выход соединён с первым 3 выходом устройства, а инвертирующий выход соединен со вторым 4 выходом устройства, первый 6, второй 7 и третий 8 частотозадающие резисторы, первый 9, второй 10, третий 11, четвертый 12, пятый 13 и шестой 14 частотозадающие конденсаторы, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введены первый 15, второй 16, третий 17, четвертый 18, пятый 19, шестой 20, седьмой 21 и восьмой 22 дополнительные частотозадающие резисторы, а также первый 23 и второй 24 дополнительные частотозадающие конденсаторы, первый 25 дополнительный  операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной источников питания 26, второй 27 дополнительный  операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной источников питания 26, первый 1 вход устройства связан с инвертирующим входом выходного 5 операционного усилителя через последовательно соединенные первый 15 дополнительный частотозадающий резистор и первый 9 частотозадающий конденсатор, общий узел последовательно соединенных первого 15 дополнительного частотозадающего резистора и первого 9 частотозадающего конденсатора связан с первым 3 выходом устройства и неинвертирующим выходом выходного 5 операционного усилителя через третий 11 частотозадающий конденсатор, второй 2 вход устройства связан с инвертирующим входом выходного 5 операционного усилителя через последовательно соединенные третий 17 дополнительный частотозадающий резистор и второй 10 частотозадающий конденсатор, общий узел последовательно соединенных третьего 17 дополнительного частотозадающего резистора и второго 10 частотозадающего конденсатора связан со вторым 4 выходом устройства и инвертирующим выходом выходного 5 операционного усилителя через четвертый 12 частотозадающий конденсатор, между выходом первого 25 дополнительного операционного усилителя и его инвертирующим входом включены последовательно соединенные пятый 19 и шестой 20 дополнительные частотозадающие резисторы, общий узел которых связан с общим узлом последовательного соединенных второго 16 дополнительного частотозадающего резистора и первого 6  частотозадающего резистора через пятый 13 дополнительный частотозадающий конденсатор, между выходом и инвертирующим входом первого 25 дополнительного операционного усилителя включен первый 23 дополнительный частотозадающий конденсатор, между выходом второго 27 дополнительного операционного усилителя и его инвертирующим входом включены последовательно соединенные седьмой 21 и восьмой 22 дополнительные частотозадающие резисторы, общий узел которых связан с общим узлом последовательного соединенных четвертого 18 дополнительного частотозадающего резистора и второго 7  частотозадающего резистора через шестой 14 дополнительный частотозадающий конденсатор, между выходом и инвертирующим входом второго 27 дополнительного операционного усилителя включен второй 24 дополнительный частотозадающий конденсатор, четвертый 18 дополнительный частотозадающий резистор соединён с неинвертирующим входом выходного 5 операционного усилителя, второй 7 частотозадающий резистор соединён с инвертирующим выходом выходного 5 операционного усилителя, третий 8 частотозадающий резистор включен между общим узлом последовательно соединенных первого 15 дополнительного частотозадающего резистора и первого 9 частотозадающего конденсатора и общим узлом последовательно соединенных третьего 17 дополнительного частотозадающего  резистора и второго 10 частотозадающего конденсатора.
На чертеже фиг. 1 показана схема фильтра-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого широкополосного избирательного RC-фильтра с дифференциальным входом в соответствии с п. 1 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого широкополосного избирательного RC-фильтра в соответствии с п. 1 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 4 приведена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде компьютерного моделирования MicroCap на моделях активных элементов фирмы Analog Devices.
На чертеже фиг. 5 показаны результаты компьютерного моделирования амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) схемы фиг. 4.
Широкополосный избирательный RC-фильтр с дифференциальным входом фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 дифференциальные входы устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные выходы устройства, выходной 5 операционный усилитель с инвертирующим и неинвертирующим парафазными выходами, причём его неинвертирующий выход соединён с первым 3 выходом устройства, а инвертирующий выход соединен со вторым 4 выходом устройства, первый 6, второй 7 и третий 8 частотозадающие резисторы, первый 9, второй 10, третий 11, четвертый 12, пятый 13 и шестой 14 частотозадающие конденсаторы. В схему введены первый 15, второй 16, третий 17, четвертый 18, пятый 19, шестой 20, седьмой 21 и восьмой 22 дополнительные частотозадающие резисторы, а также первый 23 и второй 24 дополнительные частотозадающие конденсаторы, первый 25 дополнительный  операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной источников питания 26, второй 27 дополнительный  операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной источников питания 26, первый 1 вход устройства связан с инвертирующим входом выходного 5 операционного усилителя через последовательно соединенные первый 15 дополнительный частотозадающий резистор и первый 9 частотозадающий конденсатор, общий узел последовательно соединенных первого 15 дополнительного частотозадающего резистора и первого 9 частотозадающего конденсатора связан с первым 3 выходом устройства и неинвертирующим выходом выходного 5 операционного усилителя через третий 11 частотозадающий конденсатор, второй 2 вход устройства связан с инвертирующим входом выходного 5 операционного усилителя через последовательно соединенные третий 17 дополнительный частотозадающий резистор и второй 10 частотозадающий конденсатор, общий узел последовательно соединенных третьего 17 дополнительного частотозадающего резистора и второго 10 частотозадающего конденсатора связан со вторым 4 выходом устройства и инвертирующим выходом выходного 5 операционного усилителя через четвертый 12 частотозадающий конденсатор, между выходом первого 25 дополнительного операционного усилителя и его инвертирующим входом включены последовательно соединенные пятый 19 и шестой 20 дополнительные частотозадающие резисторы, общий узел которых связан с общим узлом последовательного соединенных второго 16 дополнительного частотозадающего резистора и первого 6  частотозадающего резистора через пятый 13 дополнительный частотозадающий конденсатор, между выходом и инвертирующим входом первого 25 дополнительного операционного усилителя включен первый 23 дополнительный частотозадающий конденсатор, между выходом второго 27 дополнительного операционного усилителя и его инвертирующим входом включены последовательно соединенные седьмой 21 и восьмой 22 дополнительные частотозадающие резисторы, общий узел которых связан с общим узлом последовательного соединенных четвертого 18 дополнительного частотозадающего резистора и второго 7  частотозадающего резистора через шестой 14 дополнительный частотозадающий конденсатор, между выходом и инвертирующим входом второго 27 дополнительного операционного усилителя включен второй 24 дополнительный частотозадающий конденсатор, четвертый 18 дополнительный частотозадающий резистор соединён с неинвертирующим входом выходного 5 операционного усилителя, второй 7 частотозадающий резистор соединён с инвертирующим выходом выходного 5 операционного усилителя, третий 8 частотозадающий резистор включен между общим узлом последовательно соединенных первого 15 дополнительного частотозадающего резистора и первого 9 частотозадающего конденсатора и общим узлом последовательно соединенных третьего 17 дополнительного частотозадающего  резистора и второго 10 частотозадающего конденсатора. В качестве источника сигнала используется пьезоэлектрический преобразователь 28.
Кроме этого, на чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, в схему введен мультидифференциальный операционный усилитель 29 с первым и вторым входными портами, выход которого связан с дополнительным выходом устройства 30, неинвертирующий вход 31 первого порта подключен в первому 3 выходу устройства, инвертирующий вход 32 первого порта соединён со вторым 4 выходом устройства, неинвертирующий вход 33 второго порта связан с общей шиной источников питания 26, инвертирующий вход 34 второго порта связан с дополнительным выходом устройства 35 через первый 36 вспомогательный резистор и через второй 37 вспомогательный резистор  связан с общей шиной источников питания 26.
Компьютерное моделирование фиг. 4 показывает, что заявляемый ARC-фильтр обеспечивает высокое ослабление сигналов вне полосы пропускания, что позволяет улучшить метрологические характеристики электро-механических систем балансировки роторов различного назначения с дифференциальным включением пьезоэлектрического датчика.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известными схемотехническими решениями.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент SU 1727011, 1975 г.
2. Патент RU 97 10 10 13, 1997 г.
3. Патент RU 212 57 16, 1994 г.
4. Патент RU 212 52 48, 1997 г.
5. Патент SU 2515102, 2014 г.
6. Патент SU 138 89 78, 1985 г.
7. Патент SU 117 19 79, 1982 г.
8. Патент SU 110 33 48, 1970 г.
9. Патент RU 221 96 51, 2002 г.
10. Патент SU 180 64 42, 1989 г.
11. Заявка на патент RU 2002 103 698, 2010 г.
12. Патент SU 765 66 64, 1988 г.
13. Патент SU 156 17 93, 1994 г.
14. Патент US 3 571 741, 1967 г.
15. Патент US 6 702 755, fig. 2, 2001 г.
16. Патент US 5 371 472, 1994 г.
17. Патент US 2010/027 11 48, 2007 г.
18. Патент US 454 35 36, 1985 г.
19. Патент US 4 085 349, 1978 г.
20. Патент US 3 787 776, 1974 г.
21. Патент EP 00 91 160, 1983 г.
22. Патент SU 129 38 27, 1985 г.
23. Патент RU 239 17 70, 2008 г.
24. Патент RU 226 02 45, 2005 г.
25. Патент RU 2 509 2916, 2012 г.
26. Патент RU 2370882, 2008 г.
27. Патент SU 1727011, 1975 г.