фильтр постоянной составляющей
Классы МПК: | H03H11/12 с использованием усилителей с обратной связью G06G7/186 с использованием операционного усилителя, содержащего емкость или резистор в цепи обратной связи |
Автор(ы): | Казаков М.К., Хисамова Л.И., Сазонов С.Ю. |
Патентообладатель(и): | Ульяновский государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-09-25 публикация патента:
20.05.2003 |
Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к фильтрам для выделения постоянной составляющей периодических напряжений. Технический результат заключается в повышении точности выделения постоянной составляющей. Для этого в устройство введены дифференцирующий (18) и интегрирующий (интегратор) (17) операционные усилители (ОУ) (4), (8) и схема (11-16) устранения интегрирования напряжения смещения и входных токов ОУ (8), входящего в состав интегратора (17), состоящая из последовательно соединенных дифференцирующей цепи на конденсаторе (11) и резисторе (12), триггера Шмитта (13), делителя частоты (14), формирователя импульсов (15), сигнал с выхода которого управляет разрядным ключом (10) интегратора (17), а также дифференциальный усилитель (16), инвертирующий вход которого соединен с выходом интегратора (17), а неинвертирующий - с источником сигнала (1). 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Фильтр постоянной составляющей, содержащий первый резистор, подключенный к источнику входного сигнала; первый операционный усилитель (ОУ), в цепи отрицательной обратной связи которого включен второй резистор, а неинвертирующий вход которого заземлен; второй ОУ, к инвертирующему выводу которого подключен третий резистор, а неинвертирующий вход которого заземлен; четвертый резистор, подсоединенный к инвертирующему входу второго ОУ; первый конденсатор, один вывод которого подключен к инвертирующему входу первого ОУ; второй конденсатор, один вывод которого подключен к выходу второго ОУ, отличающийся тем, что другие выводы первого резистора и первого конденсатора соединены между собой, выход первого ОУ соединен со вторым выводом третьего резистора, другие выводы четвертого резистора и второго конденсатора соединены между собой; а также тем, что в схему введены разрядный ключ, третий конденсатор, пятый резистор, триггер Шмитта, делитель частоты, формирователь импульсов и дифференциальный усилитель, выход которого является выходом фильтра, причем разрядный ключ подключен параллельно второму конденсатору, выход второго ОУ через последовательно соединенные третий конденсатор и пятый резистор соединен с земляной шиной, общая точка третьего конденсатора и пятого резистора подключена к входу триггера Шмитта, выход которого через делитель частоты и формирователь импульсов подключен к входу управления разрядного ключа; инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к выходу второго ОУ, а неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с источником сигнала.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к фильтрам для выделения постоянной составляющей периодических напряжений. Известно, что фильтры постоянной составляющей (ФПС) относятся к фильтрам нижних частот, полоса пропускания которых лежит в пределах от нулевой частоты (постоянное напряжение) до некоторой частоты среза![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204026/969.gif)
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204026/969.gif)
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204026/969.gif)
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204026/969.gif)
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204883/2204883-2t.gif)
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204883/2204883-3t.gif)
где R2 - сопротивление первого резистора 2; R3 - сопротивление второго резистора 3; С5 - емкость первого конденсатора 5. Напряжение u18 на выходе узла 18 содержит только переменную составляющую, поскольку производная постоянной составляющей равна нулю. Отметим, что первый резистор 2 введен в узел 18 для повышения устойчивости работы. Далее напряжение u18 интегрируется с помощью интегратора 17 (фиг.1), включающего второй ОУ 8, третий 6 и четвертый 7 резисторы, второй конденсатор 9. Его передаточная функция определяется выражением
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204883/2204883-4t.gif)
где R6 - сопротивление третьего резистора 6; R7 - сопротивление четвертого резистора 7; С9 - емкость второго конденсатора 9. Выходное напряжение интегратора 17 содержит только переменную составляющую при условии равенства нулю постоянной интегрирования, что соответствует случаю, когда до момента начала интегрирования конденсатор интегратора был разряжен. Это условие выполнить нетрудно. Если также выполнить условия
R3=R6; R2=R7; C5=C9,
то суммарная передаточная функция узлов 17 и 18 для переменной составляющей
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204883/2204883-5t.gif)
а для постоянной составляющей
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204883/2204883-6t.gif)
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204883/2204883-7t.gif)
Далее напряжение (5) и напряжение и1 с выхода источника 1 подаются на вход дифференциального усилителя 16, который может быть собран на основе ОУ (фиг. 2). Коэффициенты передачи этого узла по инвертирующему и неинвертирующему входам равны соответственно "-1" и "1" при равенстве сопротивлений всех резисторов, поэтому на его выходе напряжение содержит только постоянную составляющую входного напряжения:
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204883/2204883-8t.gif)
Выполнение операций дифференцирования и интегрирования при использовании предлагаемых узлов на основе операционных усилителей осуществляется с высокой точностью (при выполнении условия (3)), поэтому, в отличие от прототипа, выделение переменной составляющей входного напряжения (5) производится с высокой точностью, что способствует повышению точности выделения постоянной составляющей. Известно, что ОУ имеет некоторое напряжение смещения и не равные нулю входные токи, поэтому в режиме длительного интегрирования на выходе интегратора 17 может появиться паразитное квазипостоянное напряжение. Для устранения этого эффекта выходное напряжение интегратора 17 подается на последовательно соединенные третий конденсатор 11 и пятый резистор 12. При выполнении условия
![фильтр постоянной составляющей, патент № 2204883](/images/patents/266/2204883/2204883-9t.gif)
где R12 - сопротивление пятого резистора 12, а С11 - емкость третьего конденсатора 11, падение напряжения u12 на резисторе 12 с малыми погрешностями соответствует переменной составляющей выходного напряжения интегратора 17, причем при этом имеет значение малость только фазовой погрешности, а амплитудная погрешность роли не играет. Для примера на фиг.3 приведена фазовая погрешность (в радианах) этой цепи при R12=1 мОм, С11=1 мкФ. В широком частотном диапазоне она имеет малое значение. Далее напряжение u12 подается на триггер Шмитта 13, который преобразует это напряжение в прямоугольные импульсы u13. Делитель частоты 14 уменьшает частоту прямоугольных импульсов, поступаемых с триггера 13, а формирователь импульсов 15 генерирует импульс малой длительности по сравнению с периодом напряжения u12 в момент перехода этого напряжения через нулевой уровень (т. е. в момент переднего или заднего фронта напряжения u13). Этот импульс подается на вход управления разрядного ключа 10, чем достигается принудительная фиксация нулевого уровня интегратора 17. Благодаря делителю 14 такая фиксация осуществляется один раз за несколько периодов входного напряжения, поэтому погрешность от потери информации за время фиксации практически отсутствует, чему способствует и то обстоятельство, что в момент фиксации выходное напряжение интегратора 17 близко к нулю. Триггер 13, делитель 14 и формирователь 15 особенностей не имеют и могут быть выполнены по известным схемам с использованием, например, операционных усилителей в интегральном исполнении и других микросхем. Таким образом, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств. Также устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Класс H03H11/12 с использованием усилителей с обратной связью
Класс G06G7/186 с использованием операционного усилителя, содержащего емкость или резистор в цепи обратной связи
интегратор на переключаемых конденсаторах на основе токового конвейера - патент 2321056 (27.03.2008) | ![]() |
способ интегрирования периодического напряжения - патент 2247428 (27.02.2005) | ![]() |
дифференцирующее устройство - патент 2222828 (27.01.2004) | |
интегрирующее устройство - патент 2222827 (27.01.2004) | |
способ выборочного интервального интегрирования напряжения - патент 2218599 (10.12.2003) | |
дифференцирующее устройство - патент 2212052 (10.09.2003) | |
интегрирующее устройство - патент 2188452 (27.08.2002) | |
устройство для интегрирования переменного напряжения - патент 2182361 (10.05.2002) | |
интегратор периодических напряжений - патент 2149448 (20.05.2000) | |
интегратор - патент 2020580 (30.09.1994) |