синхронный гребенчатый фильтр

Формула изобретения

1. Синхронный гребенчатый фильтр, содержащий операционный усилитель с обратной связью и RC-фильтр, включающий в себя резистор, линейку коммутируемых конденсаторов, коммутатор и распределитель, отличающийся тем, что синхронный гребенчатый фильтр снабжен сумматором, фильтром низкой частоты и потенциометром, встроенным в цепь обратной связи операционного усилителя, при этом точка соединения резистора и коммутируемых конденсаторов RC-фильтра подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя, движок потенциометра соединен с инвертирующими входами операционного усилителя и сумматора, неинвертирующий вход которого соединен со входом гребенчатого фильтра и входом резистора, а выход подключен к входу фильтра низкой частоты, выход которого является выходом заграждающего звена гребенчатого фильтра, а выход операционного усилителя является выходом пропускающего звена гребенчатого фильтра.

2. Синхронный гребенчатый фильтр по п.1, отличающийся тем, что фильтр низкой частоты выполнен с электрически управляемой частотой среза, а управляющий вход фильтра низкой частоты соединен с входом тактовых импульсов распределителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники и электроники, а конкретно к синхронным гребенчатым фильтрам, и может быть использовано в системах обработки сигналов, например в системах диагностики машин.

Известен синхронный заградительный фильтр (см., например, патент Великобритании 1323918, кл. НКИ Н 03 H, 1973), содержащий операционный усилитель и синхронно-коммутируемый RC-фильтр, вход которого подключен к выходу операционного усилителя.

Недостатком фильтров подобного типа являются их недостаточные функциональные возможности, так как они не могут одновременно обеспечивать гребенчатую характеристику как пропускающего, так и заграждающего типов, а это бывает необходимо при обработке виброакустических сигналов в системах диагностики машин.

Известен синхронный заградительный фильтр (см., например, а.с. СССР 629625, кл. МКИ Н 03 Н 7/10), содержащий операционный усилитель и синхронно-коммутируемый RC-фильтр, вход которого подключен к выходу операционного усилителя, при этом между выходом и инвертирующим входом введена обратная связь со встроенным конденсатором, а выход синхронно-коммутируемого RC-фильтра подключен к инвертирующему входу операционного усилителя.

Синхронно-коммутируемый RC-фильтр включает в себя резистор, линейку коммутируемых конденсаторов и коммутирующее устройство.

Недостатком данного синхронного заградительного фильтра являются недостаточные функциональные возможности, так как он не может одновременно обеспечивать гребенчатую характеристику как пропускающего, так и заграждающего типов, а это бывает необходимо при обработке виброакустических сигналов в системах диагностики машин.

Это связано с тем, что входное сопротивление инвертирующего входа операционного усилителя при таком включении во время работы его на линейном участке амплитудной характеристики практически равно нулю (см., например, Алексеенко А. Г. "Основы микросхемотехники" Сов. Радио М., 1977, стр.261 "Усилитель тока"). Поэтому конденсаторы синхронно-коммутируемого фильтра практически мгновенно заряжаются до входного напряжения, уровень которого на них мало изменяется при расстройке частоты коммутации фильтра относительно частоты подаваемого входного сигнала. Это обуславливает плохую избирательность синхронного заградительного фильтра, что является его вторым недостатком.

Кроме того, недостатком является то, что при подавлении сигнала, например, синусоидальной формы разность напряжений между плавно изменяющимся входным напряжением и накопленной "ступенькой" напряжения на коммутируемых конденсаторах приложена непосредственно к дифференциальному входу операционного усилителя, что приводит к появлению больших импульсов помех на его выходе с частотой коммутации конденсаторов фильтра.

Технической задачей изобретения - предложенного синхронного гребенчатого фильтра - является расширение функциональных возможностей фильтра путем обеспечения гребенчатой характеристики как пропускающего типа, так и заграждающего типа, повышение качества избирательности синхронного заграждающего фильтра, а также предотвращение появления импульсов помех на выходе операционного усилителя.

Технический результат в заявленном синхронном гребенчатом фильтре, содержащем операционный усилитель с обратной связью и RC-фильтр, включающий в себя резистор, линейку коммутируемых конденсаторов, коммутатор и распределитель, достигается тем, что синхронный гребенчатый фильтр снабжен сумматором, фильтром низкой частоты и потенциометром, встроенным в цепь обратной связи операционного усилителя, при этом точка соединения резистора и коммутируемых конденсаторов RC-фильтра подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя, движок потенциометра соединен с инвертирующими входами операционного усилителя и сумматора, неинвертирующий вход которого соединен со входом гребенчатого фильтра и входом резистора, а выход подключен к входу фильтра низкой частоты, выход которого является выходом заграждающего звена гребенчатого фильтра, а выход операционного усилителя является выходом пропускающего звена гребенчатого фильтра.

Технический результат в заявленном синхронном гребенчатом фильтре достигается также и тем, что фильтр низкой частоты выполнен с электрически управляемой частотой среза, а управляющий вход фильтра низкой частоты соединен с входом тактовых импульсов распределителя.

Анализ отличительных признаков заявленного синхронного гребенчатого фильтра и достигаемых ими технических результатов показал, что:

- снабжение синхронного гребенчатого фильтра сумматором, фильтром низкой частоты и потенциометром, встроенным в цепь обратной связи операционного усилителя, а также указанные подключения движка потенциометра обеспечивают синхронному гребенчатому фильтру гребенчатую характеристику как заграждающего типа, так и пропускающего типа;

- подключение точки соединения резистора и коммутируемых конденсаторов RC-фильтра к неинвертирующему входу операционного усилителя обеспечивает синхронному гребенчатому фильтру высокую избирательность, так как входное сопротивление в таком включении очень велико и не суммирует коммутируемые погрешности;

- соединение неинвертирующего входа сумматора с входом гребенчатого фильтра и входом резистора и подключение его выхода ко входу фильтра низкой частоты, выход которого является выходом заграждающего звена гребенчатого фильтра, обеспечивает синхронному гребенчатому фильтру очистку сигнала, который снимается с заграждающего звена, устраняя все помехи;

- то, что выход операционного усилителя является выходом пропускающего звена гребенчатого фильтра, обеспечивает синхронному гребенчатому фильтру высокочастотную избирательность сигнала, который снимается с пропускающего звена, устраняя все помехи;

- выполнение фильтра низкой частоты с электрически управляемой частотой среза и соединение управляющей входа фильтра низкой частоты с входом тактовых импульсов распределителя обеспечивает синхронному гребенчатому фильтру на выходе заграждающего звена выделение сигнала без помех.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

фиг.1. - схема синхронного гребенчатого фильтра;

фиг.2 - временная диаграмма работы синхронного гребенчатого фильтра.

Синхронный гребенчатый фильтр (фиг.1) содержит RC-фильтр, который включает в себя последовательно соединенные распределитель 1, коммутатор 2, линейку коммутируемых конденсаторов 3 и резистор 4. А также в состав синхронного гребенчатого фильтра входят операционный усилитель 5 с обратной связью, в которую встроен потенциометр 6, сумматор 7 и фильтр низкой частоты 8.

Движок потенциометра 6 соединен с инвертирующими входами операционного усилителя 5 и сумматора 7.

Точка соединения резистора 4 и линейки коммутируемых конденсаторов 3 RC-фильтра подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 5.

Неинвертирующий вход сумматора 7 соединен с входом гребенчатого фильтра и выходом резистора 4.

Выход сумматора 7 подключен ко входу фильтра низкой частоты 8, а выход фильтра низкой частоты 8 является выходом заграждающего звена гребенчатого фильтра.

Выход операционного усилителя 5 является выходом пропускающего звена гребенчатого фильтра.

Фильтр низкой частоты 8 выполнен с электрически управляемой частотой среза.

Управляющий вход фильтра низкой частоты 7 соединен с входом тактовых импульсов распределителя 1.

Работает синхронный гребенчатый фильтр следующим образом:

На сигнальный вход 10 поступает входной сигнал S, являющийся смесью синусоид с различными частотами (см. фиг.2 - ордината 10), а на вход тактовых импульсов 9 поступают сигналы, управляющие работой распределителя 1, который сдвигается по кольцу на 1 разряд вправо при поступлении каждого нового импульса и через коммутатор 2 подключает нижнюю по схеме (фиг.1) обкладку соответствующего конденсатора линейки 3, который заряжается через резистор 4 в течение времени, равного периоду тактовых импульсов Тu.

Частота тактовых импульсов выбирается из соотношения:

fu = 1/Тu = fвх n/k

где f_вх - частота выделяемого и подавляемого сигнала;

n - число коммутируемых конденсаторов в линейке 3;

k= 1,2, . . . = постоянный коэффициент, отражающий тот факт, что на конденсаторах фильтра накапливается сигнал, содержащий как первую (k=1) гармонику, так и высшие гармоники (k=2, 3...).

Форма сигнала, накопленного на линейке 3 конденсаторов, показана на фиг. 2 - ордината 3. Этот сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 5 (ОУ) и через отрицательную обратную связь на потенциометр 6 и далее от движка потенциометра 6 на инвертирующие входы операционного усилителя 5 и сумматора 7.

В таком включении со стороны неинвертирующего входа операционный усилитель 5 имеет очень высокое входное сопротивление. Это сопротивление в десятки и сотни раз может превышать сопротивление резистора 4. Это позволяет достичь высокой избирательности фильтра, полоса пропускания которого определяется произведением RC и выполнена меньше 1 Гц с малыми потерями мощности выделяемого сигнала, которые определяются соотношением R₄/R_вх операционного усилителя 5 и доведены до значения менее 1%.

Коэффициент передачи неинвертирующего усилителя на операционном усилителе 5 регулируется потенциометром 6, регулируя положение которого задаем усиление сигнала на выходе 12 пропускающего звена фильтра.

Со стороны инвертирующего входа операционный усилитель 5 имеет малое выходное сопротивление и коэффициент передачи с большой точностью, равный 1.

Сигнал от инвертирующего входа операционного усилителя 5 поступает на инвертирующий вход сумматора 7, в котором происходит вычитание сигнала f_вх, накопленного линейкой конденсаторов 3, из входного сигнала S. Выходной сигнал f_вых сумматора 7 уже не содержит частоты f_вх и ее гармоник - они подавляются. Коэффициент подавления f_вх определяется степенью идентичности этого сигнала на обоих входах сумматора 7 и в предлагаемой схеме составляет не менее 35 децибел без дополнительных регулировок и при изменении коэффициента передачи пропускающего звена потенциометром 6 в широких пределах.

Выходной сигнал сумматора 7 содержит помеху с частотой коммутации, вследствие конечного значения разности напряжений на его входах между плавно изменяющимся входным напряжением и накопленными "ступеньками" на коммутируемых конденсаторах линейки 3. Поскольку коэффициент передачи сумматора 7 невелик и равен 1 (единице), то коммутационные помехи на его выходе значительно меньше, чем у прототипа (для операционного усилителя коэффициент передачи = 10⁴. . . 10⁵). Далее сигнал подается на фильтр низкой частоты 8 (ФНЧ 8), где коммутационные помехи еще больше ослабляются, а с выхода фильтра низкой частоты 8 на выход заграждающего звена 11 фильтра.

Частота среза фильтра низкой частоты 8 f_ср обычно выбирается ниже частоты тактовых импульсов f_и и определяется требуемой степенью ослабления коммутационных помех (числом звеньев) фильтра низкой частоты 8.

При перестройке гребенчатого фильтра для выделения и заграждения сигналов, частоты которых могут быть ниже f_ср фильтра низкой частоты 8, на выходе фильтра будет наблюдаться увеличение уровня коммутационных помех. Для устранения этого фильтр низкой частоты 8 выполнен электрически перестраиваемым в зависимости от частоты импульсов коммутации f_и, поступающих на вход 9. Для этого управляющий перестройкой вход фильтра низкой частоты 8 соединен со входом тактовых импульсов 9. Такое выполнение фильтра низкой частоты 8 позволяет сохранить отношение f_ср/f_и постоянным и обеспечить предотвращение коммутационных помех на выходе во всем диапазоне частот выходных сигналов.

Таким образом, предлагаемый синхронный гребенчатый фильтр обеспечивает расширение функциональных возможностей фильтра путем обеспечения гребенчатой характеристики как пропускающего типа, так и заграждающего типа, повышение качества избирательности синхронного заграждающего фильтра, а также предотвращение появления импульсов помех с частотой коммутации конденсаторов на выходе операционного усилителя.