Схемы электронных узлов Статьи по электронике Разработка компонентов ЭКГ ВР Лабораторные работы по электронике Рефераты, курсовые, дипломы Учебные материалы, методические указания Программы   Книги по электронике Основы электроники Бытовая электроника, ремонт Частотная фильтрация Автоматика, теория управления Аудиотехника, аудио электроника ЭКГ, медицина, биология Справочники по электронике и электронным компонентам Микроконтроллер Режекторный фильтр с регулируемой величиной добротности для  подавления помехи от силовой сети (50 Гц) Регулируемый активный режекторный фильтр   Заявляемое устройство относится к приборостроению, а именно к частотноизбирательным 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 (РФ)  широко применяются в системах связи, в различных измерительных приборах для соответствующей  обработки сигналов В литературе описано множество вариантов таких фильтров, пост­роенных на основе RC-звеньев [Harris, 1968[3]; Steber & Kraeger, 1969[6]; Inigo, 1969[4]; Chakraborty & Choudhary, 1969[2]; Bhattacharyya & Swamy, 1970[1]] Для режекторных фильтров требуется, чтобы на частоте среза коэффициент передачи фильтра равнялся нулю. Но на практике это условие бывает трудно­выполнимым. Для точной регулировки таких фильтров 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 селективности Для исходного фильтра, который является неинвертирующим симметричным режекторным фильтром второго порядка,   передаточная функция имеет вид (1)  где р = j×ω – оператор Лапласа, ω = 2×π×f – круговая частота режекции, Qисх – коэффициент добротности исходного фильтра, Nрф(р) – числитель передаточной функции, Dрф(р) – её знаменатель. При этом не учитывается, с помощью каких конкретно RC или LC звеньев обеспечивается селективность фильтра. Величина добротности Qисх  =  ω0 / ( ω2 – ω1 )  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 режекторный фильтр с более низкой добротностью,  чем исходный. Из уровня техники известен    РФ 2-го порядка с включением на вход исходного РФ дополнительного корректирующего фильтра, являющегося амплитудным корректором и имеющим частоту подьема усиления, совпадающего с частотой режекции. Каскадное (последовательного) включение   звеньев фильтров [5],   позволяет получить повышение добротности имеющегося исходного режекторного фильтра (РФ)  за счет последовательного включения с ним корректирующего звена   [1] ,  имеющего подьем коэффициента усиления на частоте режекции РФ. При последовательном включении амплитудного корректора с передаточной функцией (2) и исходного РФ (1) происходит компенсация низкодобротных полюсов знаменателя передаточной функции исходного РФ нулями числителя амплитудного корректора. При этом полиномом знаменателя РФ становится полином знаменателя амплитудного корректора, имеющего большую добротность, что и обеспечивает повышение добротности результирующего режекторного фильтра (3) (2)  (3)   Однако недостатком такого решения является необходимость использования дополнительных усилительных и реактивных элементов в частотно- избирательных цепях активного корректирующего фильтра, что усложняет и удорожает режекторный фильтр. Кроме того, усложняется  настройка величины добротности из-за необходимости регулировки большого числа элементов. Практически невозможно оперативно регулировать добротность нового режекторного фильтра. Известны устройства РФ с  повышением  величины   добротности  за счет введение в исходный режекторный фильтр частотнонезависимой положительной обратной связи (ПОС) [ 3-5 ] в селективную цепь на основе Т или 2Т мостов. РФ с 2Т–мостом и частотно независимым резистивным делителем [4] позволяет регулировать добротность РФ, но компоненты 2Т–моста требуют тщательного подбора и поддержания точного значений номиналов резисторов и конденсаторов 2Т–моста, что также усложняет и удорожает производство РФ Такое повышение добротности за счет введения ПОС в частотноселективную цепь Т–моста не позволяет регулировать добротность РФ в процессе эксплуатации. Кроме того, использование положительной обратной связи 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 Н03F1/34, 1980) Схема этого режекторного фильтра содержит дифференциальный операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым резистором, а также с первыми выводами второго и третьего резисторов, который образует резистивный делитель. Выход дифференциального операционного усилителя соединен со входом исходного режекторного фильтра и с вторым выводом третьего резистора, неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя и один вывод исходного режекторного фильтра подсоединены к общему проводу (заземлению) Выход исходного режекторного фильтра соединен со вторым выводом второго резистора. Схема прототипа приведена на фиг. 1. Достоинством этого режекторного фильтра являются: -    исключение дополнительных реактивных элементов, усложняющих настройку фильтра, -  использование только отрицательной обратной связи для подстройки величины добротности, Недостатком прототипа являются трудности оперативной регулировки величины добротности. Фиг.1. Схема режекторного фильтра-прототипа Фиг.2. Граф схемы режекторного фильтра-прототипа Определим передаточную функцию схемы режекторного фильтра-прототипа по графу   фиг. 2: (4)  Из рассмотрения полученной передаточной функции РФ (4) имеем (5)  (6)  Из формул (5), (6) следует что регулирование величины добротности Qнов, можно обеспечить путём изменения величины резистора R3 при фиксированном R2. Однако варьирование резистора R3 вызывает изменение величин пеедачи фильтра на постоянном токе Ko, что нежелательно и является недостатком схемы фильтра.На  фиг.2 приведены АЧХ фильтра в различных точках схемы Фиг.2 Амплитудно-частотные характеристики схемы РФ- прототипа в различных точках схемы: кривая 1- АЧХ исходного режекторногофильтра с низкой добротностью. кривая 3 – АЧХ корректирующего фильтра на выходе первого ОУ кривая 2 - АЧХ режекторного фильтра с повышенной добротностью Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении добротности исходного режекторного фильтра (неинвертирующего симметричного второго порядка) с обеспечением его оперативной подстройки путем регулировки одного элемента, а также в исключении влияния изменения величины добротности на коэффициент передачи фильтра на постоянном токе и в уменьшении общего количества используемых в схеме элементов, что удешевляет устройство. Для достижения этого технического результата предлагаемый активный режекторный фильтр, так же как и известный, содержит дифференциальный операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, а выход соединен со входом исходного режекторного фильтра и со вторым выводом второго резистора, при этом вывод исходного режекторного фильтра соединен со вторым выводом первого резистора и один вывод исходного режекторного фильтра подсоединен к общему проводу заземления, но в отличие от известного неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя является входом активного режекторного фильтра. На фиг.3 приведена схема предлагаемого активного режекторного фильтра с регулированием добротности Фиг . 4 Схема предлагаемого регулируемого активного режекторного фильтра Схема содержит дифференциальный операционный усилитель, неинвертирующий режекторный  фильтр второго порядка, резистивный  делитель, включённый между выходом  и входом неинвертирующего режекторного  фильтра второго порядка, причём отвод резистивного делителя подклю­чен к  инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя блок фильтрации 4, зажим 1 являющийся его входом, который соединён с резистором  2 (R1), другой конец резистора 2 соединён с инвертирующим входом 5 дифференциального операционного усилителя 8, а также с резисторами 3 (R2) и 7 (R3). Выход 9 дифференциального операционного усилителя 8 соединён со входом 10 исходного РФ 11 и с резистором 7. Выход 13 исходного РФ 11 соединяется с резистором 3 и зажимом 14, являющимся выходом блока фильтрации 4. Неинвертирующий вход 6 дифференциального операционного усилителя 8 и РФ 8 подсоединены к общему проводу заземления 12 Получим передаточную функцию предлагаемого режекторного фильтра. где B = R3 / (R2 + R3) тогда имеем  Из рассмотрения последнего уравнения   (7) можно сделать следующие выводы - добротность  фильтра зависит только от коэффициента B  - коэффициент передачи на постоянном токе равен единице и не зависит от B, что выгодно отличает предлагемую схему от прототипа Регулируемый активный режекторный фильтр  работает следующим образом. При положении движка на левом краю потенциометра, т.е. при соединении выхода операционного усилителя с его инвертирующим входом,  имеем коэффициент передачи операционного усилителя, равный единице,  ( ОУ работает в режиме повторителя напряжения ) следовательно весь фильтр с учетом работы повторителя напряжения становится режекторным фильтром с исходной (начальной) величиной  добротности   Q исх.) При перемещении движка к положению на середине потенциометра, т.е. когда сопротивления левой и правой части потенциометра равны, тогда на частоте режекции, где передача исходного режекторным фильтра равна нулю, передача сигнала с неинвертирующего входа на выход операционного усилителя будет равна двум, т.е. на входе исходного режекторным фильтр будет действовать удвоеное входное напряжение Увеличение частотнозависимого напряжения на входе исходного режекторного фильтра компенсирует снижение усиления исходного режекторного фильтра за счет его малого значения исходной величины добротности Q исх, что приводит к увеличению добротности всего режекторного фильтра При указанном положении движка потенциометра и расстройке от частоты режекции Fo режекторного фильтра в сторону снижения частоты  на выходе всего фильтра будет появляться напряжение с фазовым сдвигом, причем в сторону отставания или   в  сторону опережения при отклонении частоты в сторону повышения. При большом отклонение частоты от значения Fo в сторону понижения или повышения частоты фаза выходного напряжения относительно входного напряжения становится равной нулю. Можно считать что выходное напряжение всего фильтра будет в тойже фазе, что и  входное. На правом выводе потенциометра будет появляться напряжение в той же фазе , что и на левом выводе, причем равное по амплитуде,Формула изобретения  поэтому из-за равенства напряжения на выводах  потенциометра ток через потенциометр протекать не будет. В результате на всех трех выводах потенциометра при больших расстройках частоты входного напряжения будет действовать одинаковое входное напряжение, вследствие “виртуального нуля” напряжения между входами дифференциального операционного усилителя. Из этого следует, что  коэффициент передачи со входа на выход будет равен единице Можно  также сделать вывод , что перемещение движка потенциометра на частотах, достаточно удаленных от частоты режекции, не влияет на величину коэффициента передачи режекторного фильтра. Формула   изобретения Регулируемый активный режекторный фильтр с плавной регулировкой     добротности, содержащий дифференциальный операционный усилитель, неинвертирующий режекторный фильтр второго порядка, резистивный  делитель, включённый между выходом  и входом неинвертирующего режекторного фильтра второго порядка, причём отвод резистивного делителя подклю­чен к  инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя,   отличающийся тем, что   резистивный делитель выполнен в виде   потенциометра, включенного крайними выводами ко входу и выходу  неинвертирующего режекторного  фильтра второго порядка, движок потенциометра подключён  к инвертирующему входу дифференциального операционного уси­лителя,  при этом в­ходом фильтра является неинвертирующий вход дифференциального операционного уси­лителя, а выходом схемы является выход неинвертирующего режекторного фильтра второго порядка