RU2530703C1 - Фильтр нижних частот - Google Patents
Фильтр нижних частот Download PDFInfo
- Publication number
- RU2530703C1 RU2530703C1 RU2013108398/08A RU2013108398A RU2530703C1 RU 2530703 C1 RU2530703 C1 RU 2530703C1 RU 2013108398/08 A RU2013108398/08 A RU 2013108398/08A RU 2013108398 A RU2013108398 A RU 2013108398A RU 2530703 C1 RU2530703 C1 RU 2530703C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resistor
- low
- frequency
- capacitor
- operational amplifier
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Networks Using Active Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для выделения квазипостоянных несимметричных сигналов на фоне синфазных напряжений и электромагнитных помех. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона частот фильтра нижних частот первого порядка для симметричного сигнала. Фильтр нижних частот содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистора и через второй резистор с выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен через третий резистор с первой входной шиной и через первый конденсатор с общей шиной, при этом дополнительно введены четвертый резистор, второй и третий конденсаторы, вторая входная шина, которая соединена со вторым выводом первого резистора и через второй конденсатор с общей шиной, которая через четвертый резистор соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен через третий конденсатор с выходом операционного усилителя. 2 ил.
Description
Фильтр нижних частот относится к информационно-измерительной технике и может быть использован для выделения квазипостоянных несимметричных сигналов на фоне синфазных напряжений и электромагнитных помех большой мощности.
Известен инвертирующий фильтр нижних частот первого порядка (см. А.Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях». - М.: БИНОМ, 1994, с.105), содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор подключен к входной шине и через параллельно соединенные второй резистор и первый конденсатор к выходу операционного усилителя, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общей шине.
Недостатками известного инвертирующего фильтра нижних частот первого порядка являются:
- отсутствие функции фильтрации дифференциального (симметричного) сигнала и синфазной помехи, т.к. фильтр работает с несимметричным сигналом;
- отсутствие функции интегратора разности напряжений в широком диапазоне частот, т.к. фильтр работает с несимметричным сигналом, а амплитудно-частотная характеристика меняет наклон с 6 до 0 дБ/окт при превышении заданной частоты, определяемой низкочастотным микромощным операционным усилителем и задающим конденсатором на инвертирующем входе.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является неинвертирующий фильтр нижних частот первого порядка (см. ж. А.Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях», М.: БИНОМ, 1994, с.105), содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор подключен к общей шине и через второй резистор - к выходу операционного усилителя. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен через третий резистор к входной шине и через первый конденсатор к общей шине.
Недостатками неинвертирующего фильтра нижних частот первого порядка являются:
- отсутствие функции фильтрации дифференциального (симметричного) сигнала и синфазной помехи, т.к. фильтр работает с несимметричным сигналом;
- отсутствие функции интегратора разности напряжений в широком диапазоне частот, т.к. фильтр работает с несимметричным сигналом, а амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) меняет наклон с 6 на 12 дБ/окт при превышении заданной частоты, определяемой низкочастотным микромощным операционным усилителем и задающим конденсатором на неинвертирующем входе.
Технические результаты, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в расширении динамического диапазона фильтра нижних частот первого порядка для симметричного сигнала и функциональных возможностей.
Для достижения технических результатов в фильтре нижних частот, содержащем операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистора и через второй резистор с выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен через третий резистор с первой входной шиной и через первый конденсатор с общей шиной, новым является то, что дополнительно введены четвертый резистор, второй и третий конденсаторы, вторая входная шина, которая соединена со вторым выводом первого резистора и через второй конденсатор с общей шиной, которая через четвертый резистор соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен через третий конденсатор с выходом операционного усилителя.
Диапазон частот фильтра нижних частот с наклоном 6 дБ/окт охватывает области критических частот среза операционного усилителя, что свидетельствует о расширении динамического диапазона. Возможность регулирования вида АЧХ для симметричного сигнала, защита от влияния синфазных напряжений и мощных электромагнитных помех свидетельствует о расширении функциональных возможностей.
Расширенный динамический диапазон частот фильтра нижних частот (ФНЧ) первого порядка для симметричного сигнала и расширение функциональных возможностей обеспечиваются дополнительно введенными второй входной шиной, четвертым резистором, вторым и третьим конденсатором, за счет которых структура приведена к симметричной с заданием полосы фильтруемых частот, и совокупностью прежних и вновь введенных RC-цепей с возможностью регулировки АЧХ единственным третьим конденсатором, при минимальной величине которого обеспечивается начальный наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и плоская АЧХ после превышения заданной частоты, при определенной величине - наклон 6 дБ/окт в широком диапазоне частот, при максимальной величине - наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и 12 дБ/окт выше заданной частоты.
Заявленными характеристиками ФНЧ обеспечена защита от влияния синфазных напряжений и мощных электромагнитных помех при выделении сигналов низкого уровня. Ослабление вышеописанных помех обеспечивается в полосе выше 10 МГц (для прецизионных микромощных операционных усилителей с малым напряжением смещения нуля и малым временным и температурным дрейфом параметров операционных усилителей) в отличие от известных устройств с полосой не более единиц килогерц. За счет вышеуказанного обеспечивается суммарный эффект подавления как синфазного напряжения в диапазоне до десятков мегагерц, так и подавление мощных электромагнитных несимметричных помех в диапазоне до десятков мегагерц. Учитывая, что при проектировании трудно предусмотреть заранее уровень электромагнитных помех, следует использовать заявленную схему в таких устройствах, как считыватели тока и т.д.
На фигуре 1 представлен пример реализации функциональной схемы фильтра нижних частот. На фигуре 2 приведены АЧХ фильтра нижних частот, где:
1 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при минимальной величине емкости второго конденсатора, при котором обеспечивается начальный наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и плоская АЧХ после превышения заданной частоты;
2 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при определенной величине емкости второго конденсатора, при котором обеспечивается наклон 6 дБ/окт в широком диапазоне частот, что соответствует фильтру нижних частот первого порядка;
3 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при максимальной величине емкости второго конденсатора, при котором обеспечивается наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и 12 дБ/окт выше заданной частоты;
fср - частота среза фильтра нижних частот;
fзад1 - первая заданная частота, определяемая параметрами операционного усилителя, резисторами и конденсаторами;
fзад2 - вторая заданная частота, начиная с которой АЧХ 1 и 2 фильтра нижних частот восстанавливают свой наклон 6 дБ/окт.
Фильтр нижних частот (фиг.1) содержит операционный усилитель 1, первый 2, второй 3, третий 4 и четвертый 5 резисторы, первая 6 и вторая 7 входные шины, первый 8, второй 9 и третий 10 конденсаторы.
Инвертирующий вход операционного усилителя 1 соединен с первым выводом первого резистора 2 и через второй резистор 3 с выходом операционного усилителя 1. Неинвертирующий вход операционного усилителя 1 соединен через третий резистор 4 с первой входной шиной 6 и через первый конденсатор 8 с общей шиной. Вторая входная шина 7 соединена со вторым выводом первого резистора 2 и через второй конденсатор 9 с общей шиной, которая через четвертый резистор 5 соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя 1. Инвертирующий вход операционного усилителя 1 соединен через третий конденсатор 10 с выходом операционного усилителя 1.
Фильтр нижних частот работает следующим образом.
В исходном статическом состоянии к схеме ФНЧ подключен источник симметричного сигнала (на фигуре 1 не показан) с нулевой амплитудой и частотой, близкой к нулю. Т.к. коэффициент передачи ФНЧ равен единице (в случае равенства сопротивлений всех резисторов), то на его выходе нулевое напряжение. При подаче напряжения с известной амплитудой и изменяемой частотой снимается АЧХ.
На фигуре 2 приведены три возможных вида АЧХ фильтра нижних частот, где:
1 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при минимальной величине емкости второго конденсатора 9, при котором обеспечивается начальный наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и плоская АЧХ после превышения заданной частоты;
2 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при определенной величине емкости второго конденсатора 9, при котором обеспечивается наклон 6 дБ/окт в широком диапазоне частот, что соответствует фильтру нижних частот первого порядка;
3 - АЧХ на выходе фильтра нижних частот при максимальной величине емкости второго конденсатора 9, при котором обеспечивается наклон 6 дБ/окт до заданной частоты и 12 дБ/окт выше заданной частоты;
fср - частота среза фильтра нижних частот;
fзад1 4 - первая заданная частота, определяемая параметрами операционного усилителя, резисторами 2, 3, 4, 5 и конденсаторами 8, 10, начиная с которой АЧХ фильтров меняют свой наклон в зависимости от величины конденсатора 9;
fзад2 - вторая заданная частота, начиная с которой АЧХ 1 и 2 фильтра нижних частот восстанавливают свой наклон 6 дБ/окт.
Начальный участок от 0 Гц до частоты среза fср соответствует полосе пропускания полезного сигнала, в начале которой коэффициент передачи сигнала равен единице в случае равенства сопротивлений всех резисторов. При одновременном увеличении сопротивления резисторов 3, 5 коэффициент передачи может быть увеличен до требуемой величины.
На участке от частоты среза fср до первой заданной частоты fзад1 наклон всех АЧХ 1, 2, 3 равен 6 дБ/окт, что соответствует характеристике фильтра нижних частот первого порядка для дифференциального (симметричного) сигнала или характеристике интегратора разности напряжений.
На участке от первой заданной частоты fзад1 до второй заданной частоты fзад2 наклон всех АЧХ различен и зависит от выбранной величины конденсатора 9. При минимальной величине конденсатора 9 АЧХ 1 имеет уплощенный вид, при максимальной - АЧХ 2 имеет максимальный наклон 12 дБ/окт, что соответствует фильтру нижних частот второго порядка или двойному интегратору разности напряжений. Для обеспечения наклона АЧХ 3 величиной 6 дБ/окт емкость С конденсатора 9 определяется по формуле:
где (R4||R2) - сопротивление параллельно включенных третьего резистора 4 и первого резистора 2.
На участке выше второй заданной частоты fзад2 наклон всех АЧХ равен 6 дБ/окт и не зависит от емкости конденсатора 9.
В предлагаемом фильтре нижних частот расширение динамического диапазона фильтра нижних частот первого порядка и расширение функциональных возможностей для симметричного сигнала обеспечены дополнительно введенными второй входной шиной 7, четвертым резистором 5, вторым 9 и третьим 10 конденсаторами, за счет которых структура приведена к симметричной с заданием полосы фильтруемых частот, совокупностью прежних и вновь введенных RC-цепей и возможностью регулировки АЧХ единственным вторым конденсатором 9, при минимальной величине емкости которого обеспечивается начальный наклон 6 дБ/окт до первой заданной частоты и плоская АЧХ после превышения первой заданной частоты до второй заданной частоты, при рассчитанной по формуле (1) величине емкости - наклон 6 дБ/окт в широком диапазоне частот, при максимальной величине емкости - наклон 6 дБ/окт до первой заданной частоты и 12 дБ/окт выше первой заданной частоты до второй заданной частоты.
Испытания макета фильтра нижних частот, выполненного на низкочастотном прецизионном микромощном операционном усилителе типа 1463УД4У, и моделирование фильтра нижних частот в САПР Micro-Cap 7.1.0, выполненного на операционных усилителях типа OP90, OP281, подтвердили его работоспособность и заявленные преимущества в диапазоне рабочих температур от -40 до +50°С.
Claims (1)
- Фильтр нижних частот, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистора и через второй резистор с выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен через третий резистор с первой входной шиной и через первый конденсатор с общей шиной, отличающийся тем, что дополнительно введены четвертый резистор, второй и третий конденсаторы, вторая входная шина, которая соединена со вторым выводом первого резистора и через второй конденсатор с общей шиной, которая через четвертый резистор соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен через третий конденсатор с выходом операционного усилителя.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013108398/08A RU2530703C1 (ru) | 2013-02-26 | 2013-02-26 | Фильтр нижних частот |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013108398/08A RU2530703C1 (ru) | 2013-02-26 | 2013-02-26 | Фильтр нижних частот |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013108398A RU2013108398A (ru) | 2014-09-10 |
RU2530703C1 true RU2530703C1 (ru) | 2014-10-10 |
Family
ID=51539610
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013108398/08A RU2530703C1 (ru) | 2013-02-26 | 2013-02-26 | Фильтр нижних частот |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2530703C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2682924C1 (ru) * | 2018-02-12 | 2019-03-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Фильтр нижних частот с гальванической развязкой |
RU2758448C1 (ru) * | 2021-03-01 | 2021-10-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | Полосовой фильтр с управляемой полосой пропускания |
RU2801744C1 (ru) * | 2023-04-11 | 2023-08-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3946328A (en) * | 1975-01-27 | 1976-03-23 | Northern Electric Company, Limited | Functionally tunable active filter |
US4253069A (en) * | 1978-03-31 | 1981-02-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Filter circuit having a biquadratic transfer function |
SU926760A1 (ru) * | 1980-05-23 | 1982-05-07 | Харьковский Институт Радиоэлектроники | Звено активного RC-фильтра с расширенной полосой пропускани |
RU2149501C1 (ru) * | 1999-06-28 | 2000-05-20 | Таганрогский государственный радиотехнический университет | Активный rc-фильтр нижних частот |
-
2013
- 2013-02-26 RU RU2013108398/08A patent/RU2530703C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3946328A (en) * | 1975-01-27 | 1976-03-23 | Northern Electric Company, Limited | Functionally tunable active filter |
US4253069A (en) * | 1978-03-31 | 1981-02-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Filter circuit having a biquadratic transfer function |
SU926760A1 (ru) * | 1980-05-23 | 1982-05-07 | Харьковский Институт Радиоэлектроники | Звено активного RC-фильтра с расширенной полосой пропускани |
RU2149501C1 (ru) * | 1999-06-28 | 2000-05-20 | Таганрогский государственный радиотехнический университет | Активный rc-фильтр нижних частот |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
А. ДЖ. ПЕЙТОН, и др. «Аналоговая электроника на операционных усилителях», Москва, БИНОМ, 1994, 352 с., с.105 * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2682924C1 (ru) * | 2018-02-12 | 2019-03-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Фильтр нижних частот с гальванической развязкой |
RU2758448C1 (ru) * | 2021-03-01 | 2021-10-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | Полосовой фильтр с управляемой полосой пропускания |
RU2801744C1 (ru) * | 2023-04-11 | 2023-08-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах |
RU2813367C1 (ru) * | 2023-11-14 | 2024-02-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах с повышенной добротностью полюса |
RU2813369C1 (ru) * | 2023-11-14 | 2024-02-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Дискретно-аналоговый фильтр с тремя заземленными конденсаторами |
RU2813368C1 (ru) * | 2023-11-14 | 2024-02-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах |
RU2813371C1 (ru) * | 2023-11-24 | 2024-02-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Дискретно-аналоговый фильтр второго порядка на переключаемых резисторах с двумя электронными ключами |
RU2818306C1 (ru) * | 2023-11-27 | 2024-05-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Дискретно-аналоговый фильтр на переключаемых конденсаторах с сумматором сигналов, выполненным на мультидифференциальном операционном усилителе |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013108398A (ru) | 2014-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPS60500395A (ja) | 同調可能なアクテイブ・フイルタ | |
RU2704530C1 (ru) | Широкополосный полосовой фильтр с независимой подстройкой частоты полюса, затухания полюса и коэффициента передачи | |
RU2677362C1 (ru) | Активный rc-фильтр | |
US9846176B2 (en) | Acceleration sensor circuit | |
RU2530703C1 (ru) | Фильтр нижних частот | |
Shouran et al. | Design and implementation of Butterworth filter | |
US6593828B1 (en) | System and method for filter tuning | |
Diab et al. | Balanced ota-c elliptic cauer filters for biomedical applications | |
Paul et al. | Realization of inverse active filters using single current differencing buffered amplifier | |
Diab et al. | Elliptic OTA-C Low-pass filters for analog front-end of biosignal detection system | |
RU2697944C1 (ru) | Полосовой фильтр второго порядка с независимой подстройкой основных параметров | |
EP3699610A1 (en) | Capacitance-to-voltage interface circuit | |
Marathe et al. | Design of fractional notch filter with asymmetric slopes and large values of notch magnitude | |
RU2701038C1 (ru) | Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров | |
RU2718709C1 (ru) | Полосовой фильтр с независимой подстройкой основных параметров | |
Sirirat et al. | Voltage-mode electronically tunable universal filter employing single CFTA | |
US5952878A (en) | Second order differential highpass filter | |
JP6695262B2 (ja) | 可変ローパスフィルタ回路 | |
RU2721404C1 (ru) | Активный RC-фильтр с независимой подстройкой основных параметров | |
Maheshwari et al. | Versatile Voltage-Mode Universal Filter Using Differential Difference Current Conveyor. | |
RU2720558C1 (ru) | Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров | |
Huang et al. | Gm-C filter with automatic calibration scheme | |
RU2296418C1 (ru) | Широкополосное многоканальное пьезоэлектрическое фильтрующее устройство | |
Sotner et al. | Reconnection-less reconfigurable filter and its application into adaptive circuit | |
RU2722752C1 (ru) | Полосовой фильтр с независимой подстройкой частоты полюса, затухания полюса и коэффициента передачи |